9. Расчет конструкций резервуара

9.1 Основные положения

Расчет конструкций резервуаров выполняется по методике предельных состояний в соответствии с ГОСТ 27751 - по предельным состояниям первой и второй групп.

Условные обозначения и размерности используемых величин приведены в Приложении П.1.

9.1.1. Нагрузки и воздействия

9.1.1.1. В процессе строительства и в течение расчетного срока службы резервуар должен выдерживать заданные при проектировании нагрузки и воздействия.

9.1.1.2. Классификация, нормативные и расчетные значения нагрузок и воздействий, а также учет их неблагоприятных сочетаний осуществляется исходя из климатических и сейсмических условий, а также технологических особенностей эксплуатации резервуара и в соответствии со СНиП 2.01.07-85*.

9.1.1.3. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый по СНиП 2.01.07-85*.

9.1.1.4. К постоянным нагрузкам относятся нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуаров.

9.1.1.5. К временным длительным нагрузкам относятся:

- нагрузка от веса стационарного оборудования;

- гидростатическое давление хранимого продукта;

- избыточное внутреннее давление или относительное разряжение в газовом пространстве;

- снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением;

- нагрузка от веса теплоизоляции;

- температурные воздействия;

- воздействия от деформаций основания, не сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта.

9.1.1.6. К временным кратковременным нагрузкам относятся:

- ветровые нагрузки;

- снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

- нагрузки от веса людей, инструментов, ремонтных материалов;

- нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении, транспортировке и монтаже конструкций резервуара.

9.1.1.7. К особым нагрузкам относятся:

- сейсмические воздействия;

- аварийные нагрузки, связанные с нарушением технологического процесса;

- воздействия от деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта;

- нагрузки, возникающие в процессе стихийного бедствия.

9.1.1.8. При определении нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуара следует использовать значения номинальной толщины элементов t. При проверке несущей способности элементов конструкций резервуара используются значения расчетной толщины элементов (t-Δtc-Δtm).

9.1.1.9. Нагрузки и их сочетания, используемые при расчете резервуаров, приведены в Приложении П.4.

9.1.2. Учет уровня ответственности

9.1.2.1. Уровень ответственности (класс опасности) резервуаров при расчете прочности и устойчивости основных несущих конструкций должен учитываться снижением расчетного сопротивления стали на коэффициент надежности по ответственности γn, значения которого приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Класс опасности
γn
I
1,20
II
1,10
III
1,05
IV
1,00

9.1.2.2. Определение нагрузок на фундамент резервуара, а также его проверка на опрокидывание должны производиться с исходными технологическими, климатическими и сейсмическими нагрузками, умноженными на коэффициент надежности по ответственности γn.

9.1.3. Учет условий работы

Отклонения условий эксплуатации элементов конструкций от нормальных учитываются коэффициентами условий работы γс, приведенными в таблицах 9.2, 9.3.

Таблица 9.2

Элементы конструкций резервуаров
Коэффициент условий работы γс
Стенка резервуаров при расчете на прочность
по таблице 9.3
Сопряжение стенки с крышей
1,0
То же, при расчете на устойчивость
1,0
Стационарные и плавающие крыши
0,9
Верхние кольца жесткости крыш резервуаров при расчете на прочность и устойчивость
0,9
Врезки в стенку резервуара
1,0
Остальные элементы конструкций
1,0

Таблица 9.3

№ пояса
Коэффициент условий работы поясов стенки, γс
 
в условиях эксплуатации
в условиях гидравлических испытаний
1-ый
0,7
0,9
Все, кроме 1-го
0,8
0,9
Уторный узел
1,2
1,2

9.1.4. Учет температуры эксплуатации

Для условий эксплуатации резервуаров при температуре выше плюс 100°С необходимо учитывать снижение расчетного сопротивления стали путем введения коэффициента γt, назначаемого в зависимости от максимальной расчетной температуры металла Т по формулам:

где

[σ]T, [σ]20 - допускаемые напряжения стали при температуре соответственно Т и 20°С, определяемые по ГОСТ Р 52857.1-2007. В случае применения сталей, не указанных в ГОСТ Р 52857.1-2007, допускаемые напряжения [σ]T, [σ]20 принимаются по согласованию с Заказчиком.

9.1.5. Нормативные и расчетные характеристики материалов

9.1.5.1. Нормативные значения характеристик сталей Rуn принимаются по соответствующим ГОСТ и техническим условиям.

9.1.5.2. Расчетные сопротивления сварных соединений следует определять по СНиП II-23-81*.

9.1.5.3. Расчетные сопротивления металлопроката для растяжения, сжатия, изгиба и сдвига следует определять по СНиП II-23-81* с учетом коэффициента надежности по материалу γm, принимаемого равным:

- для сталей по ГОСТ 27772, ГОСТ 19281 (Rу < 380 МПа) - γm = 1,05;

- для сталей по ГОСТ 19281 (Rу ≥ 380 МПа) - γm = 1,1.

9.2 Расчет стенки

Настоящий раздел содержит указания по расчету толщин стенки резервуара для расчетных сочетаний нагрузок 1-3 (таблица П. 4.1 Приложения П.4).

9.2.1 Общие указания

9.2.1.1. Номинальные толщины поясов стенки резервуара назначаются по итогам выполнения следующих расчетов:

а) определение толщины поясов из условия прочности стенки при действии статических нагрузок в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний;

б) проверка устойчивости стенки;

в) проверка прочности и устойчивости стенки при сейсмическом воздействии (в сейсмически опасных районах).

9.2.1.2. Толщины стенки, назначенные в результате расчета по п. 9.2.1.1б, не должны быть меньше толщин, назначенных по п. 9.2.1.1а. Толщины стенки, назначенные в результате расчета по п. 9.2.1.1 в, не должны быть меньше толщин, назначенных по п. 9.2.1.1б.

9.2.1.3. Назначение толщин стенки из условия прочности при статическом нагружении в условиях эксплуатации и гидро- пневмоиспытаний производится в п. 9.2.2 при действии нагрузки от веса хранимого продукта и избыточного давления.

9.2.1.4. Устойчивость стенки при статическом нагружении проверяется в соответствии с требованиями п. 9.2.3 при действии нагрузок от веса конструкций и теплоизоляции, от веса снегового покрова, от ветровой нагрузки и относительного разрежения (относительного вакуума) в газовом пространстве.

9.2.1.5. Прочность и устойчивость стенки при сейсмическом нагружении проверяется в соответствии с требованиями п. 9.6 при действии нагрузок - сейсмической, от веса хранимого продукта, от веса конструкций и теплоизоляции, от избыточного давления, от веса снегового покрова.

9.2.2. Расчет стенки резервуара на прочность

9.2.2.1. Толщины поясов стенки вычисляются по кольцевым напряжениям, определяемым в срединной поверхности цилиндрической оболочки на уровне с координатой xL, в котором радиальные перемещения стенки в пределах пояса являются максимальными.

9.2.2.2. В процессе прочностного расчета стенки учитывается коэффициент надежности для избыточного давления, равный 1,2 для режима эксплуатации и 1,25 для режима гидро- пневмоиспытаний.

9.2.2.3. Номинальная толщина стенки t в каждом поясе резервуара должна назначаться по формулам:

где

По согласованию с Заказчиком допускается принимать xL = 0.

Здесь и далее обозначено:

Индексы U, L относятся к параметрам поясов, примыкающих соответственно сверху и снизу к i-му стыку (рис. 9.1). Расчет производится последовательно от нижнего пояса к верхнему. При вычислении толщины первого пояса следует принять xL = 0.

Допускается использовать толщины поясов tL, полученные по результатам расчета стенки на устойчивость (п. 9.2.3) и сейсмостойкость (п. 9.6).

9.2.2.4. Результаты расчета толщины t для каждого пояса стенки следует округлить до целого числа в большую сторону в соответствии с толщинами проката по ГОСТ 19903-74, если не указаны специальные условия поставки листового проката.

9.2.2.5. Пример расчета стенки резервуаров из условия прочности приведен в Приложении П.5.

9.2.2.6. По согласованию с Заказчиком допускается назначать толщины стенки резервуара на основе конечно-элементного расчета составной цилиндрической оболочки с учетом ее моментного состояния. При этом в расчетную модель должна быть включена окрайка днища, связанная с основанием односторонними связями, не сопротивляющимися отрыву днища от фундамента. Коэффициенты условий работы для поясов стенки в режиме эксплуатации принимаются в этом случае такими же, как для режима гидравлических испытаний.

9.2.3. Устойчивость стенки резервуара

Расчет стенки резервуара на устойчивость выполняется в соответствии с указаниями СНиП II-23-81* и включает проверку толщин поясов стенки, необходимость установки промежуточных ветровых колец, а также назначение мест установки и сечений колец, если таковые требуются.

9.2.3.1. Критерий устойчивости стенки

9.2.3.1.1. Устойчивость стенки резервуара обеспечена при выполнении следующего условия:

9.2.3.1.2. Редуцированная высота стенки вычисляется по формуле:

Показатель степени в формуле для величины Нr может быть изменен в меньшую сторону в случае применения уточненных методик расчета устойчивости цилиндрической оболочки переменной толщины.

При наличии ребра жесткости в пределах i-гo пояса в качестве hi берется расстояние от кромки этого пояса до ребра жесткости. В резервуарах с плавающей крышей для верхнего пояса в качестве hi берется расстояние от нижней кромки пояса до ветрового кольца.

9.2.3.1.3. Коэффициент С0 следует определять по формулам:

9.2.3.1.4. Меридиональные напряжения в i-ом поясе стенки вычисляются следующим образом:

а) для резервуаров со стационарной крышей:

б) для резервуаров с плавающей крышей:

9.2.3.1.5. Кольцевые напряжения в i-ом поясе стенки следует определять по формулам:

а) для резервуаров со стационарной крышей:

σ2 = (0,95·1,2pv + 0,9·0,5kpw) δ.

б) для резервуаров с плавающей крышей:

σ2 = kpwδ,

где

k - коэффициент учета изменения ветрового давления по высоте стенки z, определяемый по табл. 6 СНиП 2.01.07-85*, либо, если 5 м ≤ z ≤ 40 м, по формуле:

k = 0,365 ln (z) + 0,157.

9.2.3.1.6. Если Gt = 0, или pv = 0, или ps = 0 формулы 9.2.3.1.4-9.2.3.1.5 должны быть приведены в соответствие с полученным сочетанием нагрузок.

9.2.3.1.7. Коэффициент fs, учитывающий форму стационарной крыши, принимается равным:

- 0,7 для купольных крыш при ρr < D,

- 0,9 для купольных крыш при D ≤ ρr < 1,1D,

- 1,0 для конических и прочих купольных крыш.

9.2.3.1.8. При невыполнении условия 9.2.3.1.1 для обеспечения устойчивости стенки следует увеличить толщину верхних поясов, или установить промежуточное кольцо (кольца) или то и другое вместе. При этом место установки промежуточного кольца должно обеспечивать равенство величин HrL, HrU, полученных по формуле 9.2.3.1.2 для участков стенки ниже и выше кольца, и быть не ближе 150 мм от горизонтального сварного шва. Если условие HrL = НrU обеспечить невозможно, ветровое кольцо должно быть установлено на расстоянии 150 мм ниже или выше горизонтального сварного шва, для которого разница величин HrL, HrU будет минимальной.

9.2.3.1.9. После установки промежуточного ветрового кольца, участки стенки над кольцом и под ним должны быть устойчивы, то есть должны удовлетворять условию 9.2.3.1.1.

9.2.3.1.10. Допускается расчет на устойчивость стенки резервуара выполнять по формулам, выражающим критерий устойчивости через действующие и критические значения вертикальной (осевой) нагрузки и внешнего давления:

В качестве вертикальной нагрузки N следует принимать расчетное сочетание снеговой, весовой нагрузок и вакуума (при наличии стационарной крыши), передающихся на нижнюю отметку наиболее тонкого пояса стенки резервуара, а при одинаковой толщине нескольких поясов - на нижнюю отметку нижнего из них.

В качестве внешнего давления Р следует принимать расчетное сочетание проектного вакуума и статической составляющей ветровой нагрузки, отнесенной к уровню верха стенки резервуара. Коэффициенты сочетаний нагрузок принимаются по аналогии с пп. 9.2.3.1.4-9.2.3.1.6.

9.2.3.2. Ветровые кольца жесткости на стенке резервуара

9.2.3.2.1. Необходимое сечение ветрового кольца подбирается из условия восприятия изгибающего момента при действии ветрового давления на стенку опорожненного резервуара.

9.2.3.2.2. Требуемый минимальный момент сопротивления сечения верхнего кольца жесткости резервуаров с плавающей крышей должен определяться по следующей формуле:

где коэффициент 1,5 учитывает разряжение от ветра в резервуаре с открытым верхом.

Если верхнее кольцо жесткости приварено к стенке сплошным угловым швом, в момент сопротивления кольца включаются участки стенки с номинальной толщиной t и шириной 15(t - Δtc) вниз и, если возможно, вверх от места установки кольца.

9.2.3.2.3. В случае необходимости установки промежуточного ветрового кольца, оно должно иметь такую конструкцию, чтобы его поперечное сечение удовлетворяло требованиям:

- для резервуаров со стационарной крышей:

- для резервуаров с плавающей крышей:

где Нrmax - редуцированная высота участка стенки выше, или ниже промежуточного кольца (что больше) и определяемая по формуле 9.2.3.1.2.

9.2.3.2.4. В пунктах 9.2.3.2.2, 9.2.3.2.3 нормативное ветровое давление pw следует назначать не менее 1,2 кПа.

9.2.3.2.5. В момент сопротивления промежуточного кольца жесткости можно включать части стенки с номинальной толщиной t и шириной  выше и ниже места установки кольца.

9.3. Расчет стационарных крыш

9.3.1. Общие положения расчета

9.3.1.1. Элементы и узлы крыши должны быть запроектированы таким образом, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости, регламентируемых СНиП II-23-81*, для всех расчетных нагрузок и их сочетаний, приведенных в таблицах П. 4.2, П. 4.3 Приложения П.4.

9.3.1.2. При расчете учитываются сочетания воздействий, в которых участвуют максимальные значения расчетных нагрузок, действующих на крышу «сверху вниз» (комбинации 1,3, таблица П. 4.2 Приложения П.4):

- от собственного веса элементов крыши в некоррозионном состоянии;

- от веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше;

- от собственного веса теплоизоляции на крыше;

- от веса снегового покрова при равномерном или неравномерном распределении снега на крыше;

- от внутреннего разрежения в газовоздушном пространстве резервуара.

9.3.1.3. В резервуарах, работающих с внутренним избыточным давлением, следует также учитывать сочетание нагрузок, в котором участвуют следующие воздействия (комбинация 2, таблица П. 4.2 Приложения П.4):

а) нагрузки, действующие на крышу «сверху вниз» и принимаемые с минимальными расчетными значениями:

- от собственного веса элементов крыши в корродированном состоянии,

- от веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше,

- от собственного веса теплоизоляции на крыше;

б) нагрузки, действующие на крышу «снизу вверх» и принимаемые с максимальными расчетными значениями:

- от избыточного давления с коэффициентом надежности по нагрузке 1,2;

- от отрицательного давления ветра.

9.3.1.4. Для сейсмоопасных районов строительства в проверку несущей способности элементов крыши необходимо включать расчет на особые сочетания нагрузок (комбинации 4, 5, 6 таблица П. 4.2 Приложения П.4) с учетом сейсмического воздействия, определяемого в соответствии со СНиП II-7-81*.

9.3.1.5. Номинальные толщины и геометрические характеристики листовых и прокатных элементов крыши назначаются с учетом припуска на коррозию в соответствии с п. 7.8 и Приложением П.6.

9.3.2 Учет снеговых нагрузок

Несущая способность крыши должна проверяться с учетом равномерного и неравномерного распределения снеговой нагрузки по ее поверхности.

9.3.2.1. Величина действующей на крышу снеговой нагрузки вычисляется по формуле: psr = μрs.

9.3.2.2. Коэффициент неравномерности распределения снегового покрова μ следует определять по таблице 9.5.

Таблица 9.5
 

Форма
крыши
Распределение снега
неравномерное (по рис. 9.2)
равномерное
μ
диаметр
крыши, м
Купольная при
fr/D ≤ 0,05
учитывать не требуется
0,85
до 60 вкл.
Коническая
при α ≤ 7°
 

r1(z/r)2sinβ

при отсутствии снегозадерживающих преград
св. 60 до
100 вкл.
при наличии снегозадерживающих преград
Коническая
при 7° < α ≤ 30°
r3(z/r)sinβ
1,0
св. 100

9.3.2.3 В таблице 9.5 используются следующие коэффициенты:

Рис. 9.1. Геометрические параметры стенки резервуара

Рис. 9.2. Неравномерное распределение снеговой нагрузки на стационарной крыше

9.3.3.1. Расчет толщины настила

9.3.3.1.1. Минимальная толщина настила бескаркасной конической крыши определяется из условия устойчивости оболочки по формулам:

9.3.3.1.2. Расчетная нагрузка на крышу вычисляется для сочетаний нагрузок 1, 3 (таблица П. 4.2 Приложения П.4) следующим образом:

9.3.3.1.3. Если Grt = 0, или pv = 0, или ps = 0 формула 9.3.3.1.2 должна быть приведена в соответствие с полученным сочетанием нагрузок.

9.3.3.1.4. Формулы 9.3.3.1.1 применимы для углов α ≤ 30° и при выполнении условия r/(tr0 sin α) > 274, которое следует проверить после вычисления первого приближения для tr0. Поскольку рr в свою очередь зависит от предварительно неизвестной толщины tr0, для расчета требуется несколько последовательных приближений.

9.3.3.2. Узел сопряжения крыши и стенки

9.3.3.2.1. Узел крепления крыши к верху стенки должен выполняться по одному из вариантов, приведенных на рис. 9.3. В расчетное сечение включается кольцевой элемент жесткости, а также прилегающие участки крыши и стенки.

9.3.3.2.2. Узел сопряжения крыши со стенкой должен быть рассчитан на прочность при действии кольцевого растягивающего усилия, возникающего от нагрузок расчетных сочетаний 1, 3 (таблица П. 4.2 Приложения П.4). При этом размеры поперечного сечения должны удовлетворять условию:

где,

Аr - выделенная на рис. 9.3 площадь поперечного сечения уторного узла крыши, причем размеры включенных в расчет участков стенки и настила крыши определяются соотношениями:

9.3.3.2.3. В резервуарах, работающих с внутренним избыточным давлением, узел сопряжения крыши со стенкой необходимо также проверить на устойчивость в случае действия кольцевого сжимающего усилия, возникающего от нагрузок расчетной комбинации 2, назначаемой по таблица П. 4.2 Приложения П.4. При этом размеры поперечного сечения должны обеспечивать выполнение следующего условия:

где

Jy - момент инерции расчетного поперечного сечения относительно вертикальной оси «у-у», совпадающей с осью стенки (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Соединение крыши со стенкой

9.3.4.1. Каркас крыши представляет собой систему радиальных и кольцевых балок. Количество радиальных балок nr определяется по конструктивным соображениям с учетом неравенства: nrπ D/1,8. Результат округляется до числа, кратного четырем.

9.3.4.2. Моделирование крыш следует производить методом конечных элементов. Расчетная схема должна включать все несущие стержневые и пластинчатые элементы, предусмотренные конструктивным решением. Если листы настила не приварены к каркасу, то в расчете учитываются только их весовые характеристики.

9.3.4.3. Модель крыши должна учитывать деформативность ее внешнего опорного контура, т.е. включать элементы уторного узла, верхний участок стенки высотой Ls и кольцевой участок настила крыши шириной Lr. При этом размеры Ls, Lr определяются по формулам 9.3.3.2.2.

9.3.4.4. Проверка несущей способности узла сопряжения крыши со стенкой производится в соответствии с требованиями п. 9.3.3.2.2.

9.3.5.1. Каркасные крыши взрывозащищенного исполнения должны удовлетворять требованиям п.п. 9.3.1, 9.3.2, 9.3.4, а также быть рассчитаны на действие двух дополнительных сочетаний нагрузок (таблица П. 4.3 Приложения П.4), которые включают помимо веса конструкций и теплоизоляции, внутреннее избыточное давление с коэффициентами надежности по нагрузке 1,25 (гидро-пневмоиспытания) и 1,6 (аварийный режим).

9.3.5.2. Для взрывозащищенных крыш должны выполняться условия:

а) D ≥ 15 м;

б) α ≤ 9,46° (уклон крыши меньше или равен 1:6);

в) крыша должна крепиться к опорному уголку односторонним угловым швом с катетом не более 5 мм;

г) конструкция узла сопряжения стенки и крыши должна соответствовать одной из схем, приведенных на рис. 9.3;

д) площадь сечения, выделенного на рис. 9.3, должна удовлетворять неравенству:

где

R - величина, определяемая в п. 9.2.2.3.

9.3.5.3. Если требования пункта 9.3.5.2 не обеспечены, взрывозащищенная крыша должна быть рассчитана в следующей последовательности:

а) Выполняется конечно-элементный геометрически нелинейный расчет крыши на действие комбинаций нагрузок, приведенных в таблице П. 4.3 Приложения П.4, включающих действие избыточного давления:

- 1,25 р для гидро-пневмоиспытаний,

- 1,6 р для условий аварии.

В расчетную модель следует включать настил крыши со связями, соответствующими конструктивному решению.

б) Определяются реактивные усилия, передаваемые на шов крепления настила к опорному кольцу крыши и проверяется его прочность по СНиП II-23-81*.

в) Крыша является взрывозащищенной, если конструкция узлов сопряжения стенки и крыши, стенки и днища резервуара, а также размеры сварного шва сопряжения настила крыши с кольцевым элементом жесткости удовлетворяют следующим условиям:

- прочность шва сопряжения стенки и настила крыши обеспечена в условиях гидро- пневмоиспытаний (комбинация 1, таблица П. 4.3 Приложения П.4);

- прочность шва сопряжения стенки и настила крыши не обеспечена в условиях аварии (комбинация 2, таблица П. 4.3 Приложения П.4);

- прочность узла сопряжения стенки с окрайкой днища для всех расчетных сочетаний нагрузок обеспечена, т.е. выполняется условие:

πr2par ≤ (Gs + Gr - Gr1) + 0,95(Gs0 + Gr0 + Gst + Grt),

где

par - избыточное давление, при котором происходит разрушение уторного шва крыши (1,2 р < par < 1,6 р).

Весовые характеристики металлоконструкций в правой части неравенства должны быть назначены за вычетом веса откорродировавшего металла.

Прочность узла сопряжения стенки с окрайкой днища в условиях аварии может не проверяться, если резервуар оборудован анкерными устройствами, предотвращающими его подъем при аварийном избыточном давлении.

9.4. Расчет плавающих крыш и понтонов

9.4.1. Общие положения расчета

9.4.1.1. Расчет плавающей крыши (понтона) заключается в проверке плавучести и несущей способности конструкции, которая должна быть обеспечена для двух положений: на плаву и на опорных стойках.

9.4.1.2. Элементы и узлы крыши должны быть запроектированы таким образом, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости, регламентированных СНиП II-23-81*.

9.4.1.3. Расчет плавающих крыш (понтонов) в положении на плаву следует производить при наличии повреждений конструкций и в случае их отсутствия. Модель поврежденной плавающей крыши должна включать два любых смежных отсека, потерявших герметичность. Модель поврежденного понтона должна допускать возможность затопления центрального отсека и двух смежных секций понтона.

9.4.1.4. Плавучесть крыши (понтона) при отсутствии повреждений следует считать обеспеченной, если в положении на плаву превышение верха любого бортового элемента (включая переборки) над уровнем продукта составляет не менее 150 мм.

9.4.1.5. Плавучесть крыши (понтона) при наличии повреждений следует считать обеспеченной, если в положении на плаву верх любого бортового элемента и переборок расположен выше уровня продукта.

9.4.1.6. Для предотвращения образования газовых пузырей под днищем однодечной крыши допускается применение дополнительных грузов (балласта) на центральной деке. Величину и схему расположения балласта следует назначать расчетом для проектной плотности продукта при отсутствии других нагрузок.

9.4.2. Нагрузки и воздействия

9.4.2.1. При расчете плавающей крыши (понтона) необходимо учитывать следующие нагрузки и воздействия:

- собственный вес элементов крыши (понтона);

- вес оборудования на крыше (понтоне);

- вес снегового покрова при равномерном и неравномерном распределении снега на плавающей крыше;

- 250 мм дождевых осадков на плавающей крыше;

- вес обслуживающего персонала (2,2 кН на площади 0,1 м2) в любой точке понтона;

- равномерно распределенную по поверхности понтона технологическую нагрузку 0,24 кПа;

- выталкивающую силу от продукта плотностью 0,7 т/м3.

9.4.2.2. Распределение неравномерной снеговой нагрузки по поверхности плавающей крыши принимается в соответствии с формулой п. 9.3.2.1 и рис. 9.4, где: μ1 = 0,52 - 0,7Нs/D, μ2 = 1,77 + 1,06HS/D, μ3 = 0,9μ2, μ4 = 0,8, μ5 = 1,0.

Рис. 9.4. Неравномерное распределение снеговой нагрузки на плавающей крыше

9.4.2.3. Сочетания нагрузок и воздействий, используемых при проверке плавучести и несущей способности плавающих крыш и понтонов, приведены в таблице П. 4.4, П. 4.5 Приложения П.4.

9.4.2.4. Комбинации нагрузок, включающие собственный вес и равномерную снеговую нагрузку (или дождевые осадки), следует учитывать при расчете неповрежденной крыши и крыши с нарушенной герметичностью в положении на плаву.

9.4.2.5. Комбинации нагрузок, включающие собственный вес и неравномерную снеговую (для крыши) или технологическую (для понтона) нагрузку, следует учитывать при расчете неповрежденной плавающей крыши (понтона) в положении на плаву.

9.4.2.6. Неповрежденный понтон в положении на плаву должен сохранять плавучесть при действии двойного собственного веса.

9.4.2.7. В положении плавающей крыши (понтона) на опорах необходимо также проверить несущую способность опор в соответствии с сочетаниями воздействий, приведенных в таблице П. 4.4, П. 4.5 Приложения П.4.

9.4.3. Порядок выполнения расчетов

Расчет плавающих крыш и понтонов производится в следующей последовательности:

Этап 1 - выбор конструктивной схемы плавающей крыши (понтона) и предварительное определение толщин элементов исходя из функциональных, конструктивных и технологических требований.

Этап 2 - назначение комбинаций воздействий (таблице П. 4.4, П. 4.5 Приложения П.4), учитывающих величину и характер действующих нагрузок, а также возможность потери герметичности отдельных отсеков крыши (понтона).

Этап 3 - моделирование конструкции крыши (понтона) методом КЭ.

Этап 4 - расчет равновесных положений крыши (понтона), погруженных в жидкость для всех расчетных комбинаций воздействий.

Этап 5 - проверка плавучести крыши (понтона). Если плавучесть крыши не обеспечена, производится изменение ее конструктивной схемы и расчет повторяется, начиная с этапа 1.

Этап 6 - проверка несущей способности конструктивных элементов крыши для полученных на этапе 4 положений равновесия. В случае изменения толщин элементов, расчет повторяется, начиная с этапа 3.

Этап 7 - проверка прочности и устойчивости опор.

9.5 Допускаемые нагрузки на патрубки врезок в стенку резервуара

9.5.1. Действие настоящего раздела распространяется на врезки с размерами, регламентированными в п. 8.6, и с условными диаметрами патрубка Dy, соответствующими области, выделенной на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Область допускаемых размеров патрубков Dy для раздела 9.5

Рис. 9.5. Область допускаемых размеров патрубков Dy для раздела 9.5

9.5.2. Нагрузки на патрубок задаются в виде комбинаций трех усилий (рис. 9.6): радиальной силы вдоль оси патрубка FR* (кН), изгибающего момента в вертикальной плоскости ML* (кН·м), изгибающего момента в горизонтальной плоскости Мс* (кН·м). На рис. 9.6 показаны положительные направления усилий.

Рис. 9.6. Нагрузки на патрубок врезки в стенку резервуара

Рис. 9.6. Нагрузки на патрубок врезки в стенку резервуара

9.5.3. Допускаемыми являются такие комбинации нагрузок, которые обеспечивают несущую способность сварных швов по предельным состояниям, то есть попадают внутрь области допускаемых нагрузок, полученной в результате расчета на конечно-элементной модели, включающей стенку, окрайку днища, патрубок, усиливающий лист и все швы в зоне врезки. Моделирование осуществлялось с применением трехмерных конечных элементов и обеспечивало многослойную разбивку по толщине стенки, патрубка и сварных швов. Методика получения границы области допускаемых нагрузок приведена в п. 9.5.4.

Рис. 9.7. Область допускаемых нагрузок на патрубки

Рис. 9.7. Область допускаемых нагрузок на патрубки

9.5.4. Размеры области допускаемых нагрузок (рис. 9.7) определяются по формулам:

Здесь

значения коэффициентов γс, γt, γp1, γp2, определяются соответственно в пп. 9.1.3, 9.1.4, 9.5.7, 9.5.8;

МC0 - максимально допускаемая величина момента МC* при FR* = ML* = 0.

9.5.5. Параметр λ вычисляется в зависимости от величины момента МC* по формуле:

9.5.6. Безразмерные коэффициенты е1i-е3i зависящие от условной высоты налива Н* и условного прохода патрубка Dy приведены в таблице 9.6.

Таблица 9.6

Н*, м
i
Dy 100
Dy 300
Dy 600
   
е1i
e2i
e3i
e1i
e2i
e3i
е1i
e2i
e3i
9
0
0,45
-0,93
1,98
0,63
-1,25
6,13
0,88
0,25
3,88
1
2,93
-5,48
11,03
1,83
-3,38
20,25
1,13
4,88
-3,75
2
-1,19
0,98
-10,19
-1,78
2,19
-17,63
-1,16
-2,38
-16,88
3
0,45
-0,88
1,88
0,75
-1,45
4,95
0,88
-0,63
5,38
4
-0,43
0,78
-1,78
-0,78
2,03
-7,13
-0,88
-0,13
-3,88
12
0
0,23
-0,15
1,03
1,25
-2,50
6,50
0,50
10,00
-4,38
1
1,05
-1,73
8,63
3.00
-4,65
19,80
1,02
13,43
-10,73
2
-1,35
1,06
-7,81
-2,63
2,50
-16,25
-2,01
-6,81
-11,81
3
0,23
-0,15
0,98
1,38
-3,25
6,13
2,13
-5,63
18,88
4
-0,23
0,16
-1,08
-1,25
2,63
-6,88
-1,13
-4,13
-4,50
18
0
0,54
-0,66
1,21
2,50
-4,63
6,88
2,33
4,38
-0,88
1
1,43
-0,53
6,98
5,63
-10,13
21,30
7,43
-12,83
23,70
2
-3,56
5,56
-10,13
-7,13
10,63
-18,38
-8,13
17,69
-37,50
3
0,56
-0,75
1,20
2,63
-4,25
4,75
3,78
-8,25
18,38
4
-0,51
0,59
-1,20
-2,50
4,38
-6,80
-1,45
-8,75
6,13
24
0
0,55
-0,48
1,00
3,21
-4,37
5,00
3,54
-0,63
4,05
1
1,75
-0,78
6,90
7,05
-10,90
19,80
7,56
-9,54
17,90
2
-3,90
5,95
-10,25
-13,46
25,30
-26,25
-9,00
19,00
-37,0
3
0,58
-0,62
1,04
3,85
-6,26
5,00
5,06
-13,50
24,08
4
-0,55
0,50
-1,06
-3,45
4,88
-5,52
-1,69
-10,35
10,69

Величина Н*, используемая в таблице 9.6, определяется по формуле:

но не более 24 м.

Здесь

t - назначенная в проекте толщина нижнего пояса резервуара,

величина R определяется в п. 9.2.2.3 для режима эксплуатации.

9.5.7. Если предусмотрена термообработка узла врезки, то в формулах 9.5.4 следует принять γp1 = l, в противном случае γp1 = 0,95.

9.5.8. Для учета циклического характера приложения нагрузок используется коэффициент γp2, который зависит от условного количества циклов налива (слива) продукта nс и определяется следующим соотношением:

причем, если γp2 > 1, следует принять γp2 = 1.

В представленной формуле параметры B1 и В2, измеряемые в МПа, назначаются по таблице 9.7, соответствующей ГОСТ Р 52857.6-2007.

Таблица 9.7

Стали
B1
B2
Углеродистые
6·104
0,4 Rm/t
Низколегированные
4,5·104
Аустенитные коррозионно-стойкие
6·104

В таблице 9.7 Rm/t - временное сопротивление стали при расчетной температуре Т, принимаемое по ГОСТ Р 52857.1-2007.

Единичным наливом (сливом) продукта следует считать технологическую операцию, при которой уровень налива (слива) изменяется не менее чем на 0,5 Н.

9.5.9. Комбинация фактических нагрузок на патрубок FR*, ML*, MC* является допускаемой, если точка с координатами FR*, ML*, построенная на графике рис. 9.7, располагается внутри многоугольника.

9.5.10. Комбинация фактических нагрузок на патрубок FR*, ML*, MC* является недопускаемой при выполнении любого из условий:

- точка с координатами FR*, Ml*, построенная на графике рис. 9.7, располагается снаружи многоугольника;

- многоугольник на рис. 9.7 вырождается в точку (a1 = а2 = a3 = a4 = 0).

9.5.11. Допускаемые нагрузки на патрубки с величиной Dy, отличающейся от приведенной в таблице 9.6, могут быть получены интерполяцией.

9.5.12. Возможны два варианта применения методики расчета по пунктам 9.5.4-9.5.11.

Первый вариант предполагает проверку несущей способности врезки на действие заданных комбинаций фактических нагрузок FR*, ML*, МC*. Второй вариант позволяет получить область допускаемых значений для последующей проверки любых комбинаций нагрузок. В этом случае, предварительно задается набор значений момента МC* в интервале от 0 до МC0, а затем для каждого из этих значений вычисляются границы области, изображенной на рис. 9.7. Полученный набор многоугольников и представляет область допускаемых значений нагрузок на патрубок.

9.5.13. Для врезок с параметрами, выходящими за пределы указанной в п. 9.5.1 области, допускаемые нагрузки определяются конечно-элементным расчетом на модели, указанной в п. 9.5.3. Критерием несущей способности врезки является условие: ε ≤ εp, то есть максимальная деформация сварного шва ε не должна превышать предельно допустимую деформацию этого шва εp.

Деформация сварного шва определяется как удлинение (укорочение) любой из сторон поперечного сечения сварного шва, отнесенное к ее недеформированному размеру. Предельно допустимая деформация шва вычисляется по формуле:

εp = γcγtγp1γp2Ry/E.

9.5.14. Примеры расчета допускаемых нагрузок на патрубок приведены в Приложении П.18.

9.6. Расчет сейсмостойких резервуаров

9.6.1. Общие положения

9.6.1.1. Настоящий раздел содержит требования к расчету и проектированию вертикальных цилиндрических стальных резервуаров, эксплуатация которых предусматривается в районах с сейсмичностью выше 6 баллов по шкале MSK-64. Для районов с сейсмичностью 6 баллов и ниже сейсмические нагрузки учитывать не требуется.

9.6.1.2. Полная нагрузка со стороны продукта на стенку и днище резервуара в условиях землетрясения включает:

- гидростатическую нагрузку и нагрузку от действия избыточного давления;

- импульсивную (инерционную) составляющую гидродинамического давления;

- конвективную (кинематическую) составляющую гидродинамического давления;

- составляющую сейсмической нагрузки от вертикальных колебаний грунта.

Импульсивная составляющая давления возникает от части продукта, движущегося в условиях землетрясения совместно со стенкой резервуара. Колебания жидкости внутри резервуара создают конвективное давление и приводят к появлению волн на поверхности продукта. Вертикальные колебания основания резервуара также индуцируют дополнительную нагрузку на его стенку.

9.6.1.3. Сочетания перечисленных нагрузок, а также нагрузок от веса металлоконструкций, оборудования, теплоизоляции и снега (при наличии стационарной крыши) следует производить с учетом коэффициентов сочетаний нагрузок, определяемых в соответствии со СНиП 2.01.07-85*, СНиП II-7-81*.

9.6.1.4. Проверка сейсмостойкости резервуара предусматривает комплекс расчетов, последовательность которых приведена на рис 9.8.

Рис. 9.8. Последовательность расчетов сейсмостойкости резервуара

Рис. 9.8. Последовательность расчетов сейсмостойкости резервуара

При этом проверка резервуара на сдвиг при землетрясении до 9 баллов включительно не требуется.

9.6.1.5. Сейсмостойкость резервуара следует считать обеспеченной при одновременном выполнении следующих условий:

а) резервуар не опрокидывается при землетрясении (критерием опрокидывания является предельное состояние, при котором на внешнем радиусе приподнятой части днища возникает полный пластический шарнир, рис. 9.9);

Рис. 9.9. Расчетная схема резервуара в условиях землетрясения

Рис. 9.9. Расчетная схема резервуара в условиях землетрясения

б) обеспечена устойчивость нижнего пояса стенки от действия продольно-поперечной нагрузки;

в) обеспечены условия прочности для всех несущих элементов резервуара.

9.6.1.6. Если условия 9.6.1.5а или 9.6.1.5б не выполняются, требуется установка анкеров, количество и размеры которых определяются расчетом.

9.6.2. Параметры сейсмического воздействия

9.6.2.1. Параметры сейсмического воздействия выдаются Заказчиком на основе данных сейсмического микрорайонирования площадки строительства. В районах, для которых отсутствуют карты сейсмического микрорайонирования, допускается использовать комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97, или СНиП II-7-81*.

9.6.2.2. Задание на проектирование должно включать следующие параметры сейсмического воздействия:

- сейсмичность площадки строительства (баллы по шкале MSK-64);

- категория грунта по сейсмическим свойствам (таблица 1* СНиП II-7-81);

- коэффициент вертикального сейсмического ускорения Av.

9.6.2.3. Коэффициент горизонтального сейсмического ускорения составляет Аh = 0,1, 0,2, 0,4 при землетрясении интенсивностью 7, 8, 9 баллов соответственно. Для грунтов категорий сейсмичности I или III параметр Ah задается по таблице 1* СНиП II-7-81.

9.6.2.4. Коэффициент вертикального сейсмического ускорения назначается на основе данных сейсмического микрорайонирования. Если данные отсутствуют, допускается принимать Av = 0,5Ah.

9.6.2.5. В разделе 9.6 принята система безразмерных коэффициентов, представленная в таблицах 9.8, 9.9.

Таблица 9.8

Наименование
Обозначение
Величина
Пункты Стандарта
Спектральный параметр (коэффиц. динамичности)
импульсивный
Bi
2,5
пп. 9.6.3.1-9.6.3.3
конвективный
по п. 9.6.3.5
 
Коэффициент учета неупругих деформаций
импульсивный
Ki
по табл. 9.9
 
конвективный
Кс
1,0
пп. 9.6.3.1-9.6.3.3
Коэффициент учета рассеивания энергии
импульсивный
КΨi
1,1
 
конвективный
КΨc
2,16
 
Коэффициент условий работы
статический
γс
0,7
п. 9.6.4.3
0,9
п. 9.6.4.5
дополнительный сейсмический
mk
1,3
пп. 9.6.3.1-9.6.3.3
Коэффициент надежности по ответственности
 
γn
по табл. 9.1
пп. 9.6.3.1, 9.6.3.3, п. 9.6.4.3
Коэффициент надежности по нагрузке от избыточного давления
 
-
1,2
пп. 9.6.6.2, 9.6.7.1

Таблица 9.9

Назначение
Пункты Стандарта
Сейсмическая бальность площадки
Класс опасности резервуара
Величина коэффициента учета неупругих деформаций Ki
Вычисление опрокидывающего момента и сдвигающей силы
пп. 9.6.3.1, 9.6.3.3
7-9
1-4
0,25
Прочностной расчет стенки
п. 9.6.3.3
7; 8
1-4
1,0
9
1-2
по согласованию с Заказчиком, но не менее 0,6

9.6.3. Расчетные нагрузки

Расчет всех компонент сейсмических нагрузок производится на основе спектрального метода с учетом коэффициентов динамичности и демпфирования, соответствующих основному тону колебаний резервуара и продукта.

9.6.3.1. Опрокидывающий момент определяется по формуле:

где

9.6.3.2. Допускается уменьшение значения коэффициента βi, приведенного в таблице 9.8, если период основного тона импульсивных колебаний продукта получен расчетным путем и использованы соответствующие формулы п. 2.6* СНиП II-7-81*.

9.6.3.3. Нагрузки от продукта, действующие на стенку и днище резервуара, определяются по формулам:

где

9.6.3.4. Период основного тона конвективных колебаний продукта определяется соотношением:

9.6.3.5. Коэффициент динамичности для конвективных колебаний продукта βс определяется в зависимости от периода Тс следующим образом:

а) по формулам п. 2.6* СНиП II-7-81*, если 0 ≤ Тс ≤ Т0 = 2 с;

б) βс = (Т0с)2 β0, если Тc > Т0,

где

β0 = β(Т0) - значение коэффициента динамичности, полученное по формулам п. 2.6* СНиП II-7-81* на границе области низкочастотных сейсмических колебаний продукта при Т0 = 2 с.

9.6.4. Проверка сейсмостойкости резервуара

9.6.4.1. Резервуар является устойчивым к опрокидыванию, если момент от вертикальных удерживающих сил превышает момент от инерционных горизонтальных сил.

9.6.4.2. Опрокидывание резервуара не происходит, если выполняется неравенство:

где

tb, Δtcb, Δtmb - соответственно толщина, припуск на коррозию и минусовой допуск на прокат окраечных (если предусмотрено - кольцевых) листов днища.

9.6.4.3. Устойчивость стенки проверяется от действия продольно-поперечной нагрузки, вызывающей ее изгиб и вертикальное сжатие в процессе опрокидывания резервуара с продуктом. За предельное состояние принимается фибровая текучесть стенки (с учетом коэффициентов γс и γn), проверяемая в вертикальном сечении оболочки. Несущая способность нижнего пояса стенки с расчетным сопротивлением по пределу текучести R1y и номинальной толщиной нижнего пояса t1 обеспечена, если выполняется условие:

в котором расчетные нагрузки по контуру стенки в основании резервуара qmax вычисляются в п. 9.6.6.1, а допускаемые сжимающие напряжения в этом поясе определяются выражением:

где

9.6.4.4. В случае нарушения требований п.п. 9.6.4.2, 9.6.4.3, следует выполнить одно из следующих мероприятий или их комбинацию:

а) увеличить толщину окраечного листа днища;

б) увеличить толщину первого пояса стенки t1;

в) путем изменения размеров резервуара уменьшить величину отношения H/D;

г) применить анкеры, которые назначаются в соответствии с указаниями п. 9.6.7.

9.6.4.5. Толщины каждого i-гo пояса стенки ti определяются из условия прочности по кольцевым усилиям цилиндрической оболочки. С учетом сейсмических нагрузок p0(z,φ), действующих на стенку в точке с координатами zi = H - Hi, φ = 0, имеем:

где

Riy - расчетное сопротивление по пределу текучести i-гo пояса стенки.

9.6.5. Максимальные вертикальные усилия сжатия в стенке резервуара

9.6.5.1. Вертикальные сжимающие усилия в стенке определяются с учетом возможного отрыва части днища от основания. При вычислении удерживающих сил учитывается вес продукта, расположенного над приподнятым участком днища.

9.6.5.2. Максимальные вертикальные усилия сжатия в нижнем поясе стенки резервуара следует определять по формулам:

9.6.6. Нагрузки на основание и фундамент и размеры окрайки днища в условиях сейсмического воздействия

9.6.6.1. Вертикальные расчетные нагрузки, действующие по контуру стенки резервуара в процессе землетрясения, вычисляются по формулам:

а) если требуется установка анкеров

б) если анкеры не требуются

9.6.6.2. Максимальная и минимальная вертикальные расчетные нагрузки на основание под центральной частью днища резервуара в процессе землетрясения вычисляются по формуле:

где знаки плюс и минус соответствуют максимальному и минимальному значению давления в диаметрально противоположных точках днища, расположенных по оси сейсмического воздействия.

9.6.6.3. Горизонтальная сдвигающая сила, передаваемая от резервуара на фундамент при землетрясении, вычисляется по формуле:

где

9.6.6.4. Минимальная требуемая ширина окрайки днища в процессе землетрясения (рис. 9.9) определяется соотношением:

Окончательно ширина окрайки днища назначается как большая из величин, полученных по формулам п. 8.3.6 и п. 9.6.6.4.

9.6.7. Требования к установке анкеров

9.6.7.1. Если требуется установка анкеров (см. п. 9.6.4.4 г), то расчетное усилие в одном анкерном болте определяется по формуле:

Na = (1,2 pπr2 + 4Ms/Da - Gs* - Gr*)/na,

причем значения весовых характеристик Gs*, Gr* принимаются за вычетом веса откорродировавшего металла и без учета снеговой нагрузки.

9.6.7.2. Количество анкерных болтов, устанавливаемых по периметру резервуара, определяется конструктивно. При этом минимальная расчетная площадь поперечного сечения нетто анкерного болта составляет:

Aba = Na/Rba,

где расчетное сопротивление анкерных болтов Rba назначается на основе требований раздела 3 СНиП II-23-81*. Номинальный диаметр резьбы болта следует принимать в соответствии с ГОСТ 24379.0.

9.6.7.3. Назначение размеров конструктивных элементов анкерных стульчиков следует производить в соответствии с требованиями СНиП II-23-81*. Запас прочности конструктивных элементов анкерного стульчика должен быть выше запаса прочности анкерного болта.

9.6.8. Максимальный уровень наполнения резервуара

9.6.8.1. Высота волны на поверхности продукта определяется по формуле:

dmax = 0,84βcrAh.

9.6.8.2. Максимальный уровень наполнения резервуара Н должен назначаться с учетом высоты волны на поверхности продукта в процессе землетрясения. При этом следует обеспечить выполнение условия:

Н + ΔН + dmax < Нs.

9.6.9. Пример расчета

В Приложении П.7 содержится пример расчета резервуара объемом 2000 м3.

9.7. Защита резервуаров от стихийного воздействия водного потока

Для резервуаров, возводимых в прибрежных зонах рек, морей и океанов, существует опасность воздействия водных потоков, вызванных паводковыми разливами рек, прорывом плотин и дамб, цунами, нагоном воды из морей в устья рек и т.д. При этом возможны сдвиг и опрокидывание резервуаров, расположенных в зонах затопления. Приложение П.8 содержит рекомендации по защите резервуаров от указанного вида стихийного воздействия и включает комплекс мероприятий, проведение которых целесообразно на стадии проектирования и в процессе эксплуатации резервуаров.

<< назадк содержанию СТО-СА-03-002-2009 / вперед >>