Краткий курс лекций (учебно-методическое пособие для студентов строительных специальностей) Харьков 2003 (стр. 4 из 9)
Шаг сеток приблизительно один метр. Точный расчёт сеток таких покрытий возможен только на ЭВМ.
6. Металлические оболочки-мембраны
Рис. 16
По форме в плане это эллипс или круг, а форма оболочек довольно разнообразная: цилиндрическая, коническая, чашеобразная, седловидная и шатровая. Большинство из них работает по пространственной схеме, делает её весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 2 — 5мм.
Расчёт таких систем производят на ЭВМ.
Главное преимущество таких систем покрытий — это совмещение несущих и ограждающих функций.
Утеплитель и гидроизоляцию укладывают на несущую оболочку, не применяя кровельных плит.
Полотнища оболочки выпускают на заводе-изготовителе и доставляют на монтаж в виде рулонов, из которых на площадке строительства собирают всю оболочку без применения лесов.
Раздел 2. Листовые конструкции
Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.
К этим конструкциям относятся:
— Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.
— Газгольдеры для хранения и распределения газов.
— Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.
— Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.
— Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:
- кожухи доменных печей
- воздухонагреватели
- пылеуловители — скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров
- дымовые трубы
- сплошностенчатые башни
- градирни и т.д.
Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.
Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:
— они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;
— могут воспринимать статические и динамические нагрузки;
— работать под низким, средним и высоким давлением;
— под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.
Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это — так называемое явление краевого эффекта.
Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.
Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.
Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.
Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.
Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.
1.1 Резервуары
В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.
По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.
Они могут быть постоянного и переменного объёмов.
Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.
Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.
Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 — 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до 2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).
Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.
Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 — 12 раз в год.
Шаровидные резервуары — для хранения больших объёмов сжиженных газов.
Каплевидные резервуары — для хранения бензина с высокой упругостью паров.
Вертикальные резервуары
Рис. 17
Основные элементы:
— стенка (корпус);
— днище;
— крыша (покрытия).
Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.
Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если
[(mдн + mпок) / mст] = 2, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле,
где V — объём резервуара,
∆= tдн.+tприв. покр. — сумма приведённой толщины днища и покрытия,
tст. — толщина стенки корпуса.
В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки, т.е. mдн.+mпокр.= mст.
В этом случае
,
где ∆= tдн. + tприв. покр.,
n — коэффициент перегрузки,
γ ж. — удельный вес жидкости.
Днище резервуара
Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.
 | При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм; при V>1000м и Д=18—25м → tдн = 5мм; при Д > 25м → tдн = 6мм. Рис. 18 |
Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 — 60мм при tдн. = 4 — 5мм, а при tдн.= 6мм — выполняются встык. Крайние листы — "окрайки" — принимают на 1—2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).
Конструирование стенок:
Рис. 19
Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку — как на заводе, так и на монтаже.
Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.
Расчёт на прочность — стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81
Рис. 20
Нормативные нагрузки, действующие на стенку резервуара, а также коэффициент перегрузки принимают в соответствии с СНиП 2,01,07-85 "Нагрузки и воздействия".
Стенку рассчитывают на прочность по безмоментной теории оболочек как цилиндрическую оболочку, работающую на растяжения и действия гидростатического давления жидкости и избыточного давления газа.
Расчётное давление на глубине Х от днища:
Px= γж × (h – x) × n1 + Pиз. × n2
γж— удельный вес жидкости; n1=1,1; n2=1,2.
В цилиндрической оболочке кольцевое напряжение в 2 раза больше меридиальных.
G2=Pr2/t; G1=N/t=(Pr2)/(2t).
Откуда толщину стенки на расстоянии Х можно определить:
t=[n1 × γж(h–x) + n2Pиз.] × r/γ ×Rсв.
Расчёт стенки на устойчивость: Верхние пояса стенок корпуса резервуара в результате расчёта на прочность имеют сравнительно небольшую толщину, поэтому необходимо проверять их на устойчивость при определённых сочетаниях нагрузки:
- вес крыши и установленного на ней оборудования (Ркр=q × n),
- вес теплоизоляции крыши (Pтепл. из. кр.=qт × nт ),
- вес от снежного покрова (Pснега=qо × c × nсн),
- вакуум (Pвак.=qвак. × nвак.),
- Pветра=qо × c2 × n2,
- Pстенок= (qст × qд/тпл ).
Продольное напряжение в стенке от действия нагрузок:
G1= [Pкр.+Pтеп. из.+nс (Pсн+Pвакуум+Pветр)]×(r2/2t)+Pст /t.
Кольцевое сжимающее напряжение в стенке возникает от следующих нагрузок:
- ветровой нагрузки, действующей равномерно по окружности резервуара, и заменяется действием условного вакуума
Pвет.=0,5×qоnвk,
Pвакуум=Pвак.×nвак. от вакуума, тогда
G2=(P ветр.+ Pвак.)ncr2/t.
Если по результатам расчёта требуется значительно повысить толщину стенки резервуара, то целесообразно поставить кольцевые рёбра жёсткости (от одного до трёх).
Максимальное значение меридиальных напряжений G1 в нижней части стенки с учётом напряжений от краевого эффекта равно:
G1=q/tст.+6M/t2ст < γсR
Длина полуволны затухания краевого эффекта:
 |
В пределах этого расстояния кольцевые напряжения G2, за счёт стеснённости кольцевых деформаций, меньше чем на соседних участках стенки, поэтому их ( G2) можно не вычислять.