ПРОГНОЗ  УСТОЙЧИВОСТИ  ОСНОВАНИЙ  СТАЛЬНЫХ  ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ  РЕЗЕРВУАРОВ

Сапронов  Олег  Алексеевич

эксперт  по  промышленной  безопасности, 
ООО  «Протос  Экспертиза»,

РФ,  г.  Владимир

E-mail:  soaol@yandex.ru

Токарев  Дмитрий  Александрович

эксперт  по  промышленной  безопасности, 
ООО  «Протос  Экспертиза»,

РФ,  г.  Владимир

Белышев  Владимир  Николаевич

эксперт  по  промышленной  безопасности, 
ООО  «Протос  Экспертиза»,

РФ,  г.  Дубна

Кравченко  Татьяна  Ивановна

канд.  техн.  наук,  заведующая  лабораториями  кафедры  «Сопротивление  материалов» 
ФГБОУ  ВПО  «Владимирский  государственный  университет  имени  Александра  Григорьевича  и  Николая  Григорьевича  Столетовых», 
РФ,  г.  Владимир

E-mail:  tatyana.ttkachenko@yandex.ru.

Ярыгин  Владимир  Степанович

канд.  техн.  наук,  профессор  кафедры  «Строительные  конструкции» 
Ивановского  государственного  архитектурно-строительного  университета  (ИГАСУ)

РФ,  г.  Иваново

FORECAST  OF  STABILITY  FOUNDATION  OF  THE  STEEL  CYLINDRICAL  TANK

Oleg  Sapronov

engineer-expert, 
Ltd.  Protos  Expertise, 
Russia,  Vladimir

Dmitry  Tokarev

engineer-expert, 
Ltd.  Protos  Expertise, 
Russia,  Vladimir

Vladimir  Belyshev

engineer-expert, 
Ltd.  Protos  Expertise, 
Russia,  Dubna

Tatyana  Kravchenko

candidate  Technical,  head  of  the  laboratory  of  the  department  “Strength  of  Materials", 
Vladimir  State  University  named  after  Alexander  and  Nikolay  Stoletovs, 
Russia,  Vladimir

Vladimir  Yarygin

candidate  Technical,  professor  of  the  department  "Building  Structures" 
Ivanovo  State  Architectural  University  , 
Russia,  Ivanovo

АННОТАЦИЯ

Статья  посвящена  исследованию  устойчивости  стальных  вертикальных  резервуаров  с  оценкой  критического  усилия,  возникающего  в  слоисто-горизонтальной  модели  слабой  грунтовой  среды  от  прогиба  днища  резервуаров  под  действием  внешних  усилий,  которые  необходимо  учитывать  для  обеспечения  промышленной  безопасности  резервуаров. 

ABSTRACT

The  article  is  devoted  to  investigation  of  stability  of  steel  vertical  tanks  with  a  critical  assessment  of  the  forces  arising  in  the  layered  horizontal  model  a  weak  soil  medium  from  the  deflection  of  the  bottom  of  the  reservoirs  under  the  action  of  external  forces,  that  must  be  considered  to  ensure  industrial  safety  of  tanks.

Ключевые  слова:  критическое  усилие;  модель  грунтовой  среды;  равнобедренная  нагрузка;  промышленная  безопасность.

Keywords:  the  critical  force;  model  of  soil  medium;  isosceles  load;  Industrial  Safety.

При  проведении  экспертизы  промышленной  безопасности  (ЭПБ)  резервуаров  часто  выявляются  дефекты  в  виде  недопустимых  прогибов  оснований  (днищ)  резервуаров,  что  в  свою  очередь  приводит  к  развитию  аварийных  дефектов.  До  сих  пор  большое  количество  РВС  установлены  на  неподготовленное  основание,  выполнены  как  временные  хранилища.  Практика  показывает  —  аварии  резервуаров  сопровождаются  значительными  потерями  продукта,  загрязнением  окружающей  среды  и  гибелью  людей.  Таким  образом,  мы  считаем,  что  на  текущий  момент  вопросы  обеспечения  надежности  оснований  резервуаров  являются  не  решенными.

  В  зависимости  от  чувствительности  к  деформациям  основания  всех  резервуарных  сооружений  условно  разделяются  на  три  основных  типа:  абсолютно  гибкие,  абсолютно  жёсткие  и  конечной  жёсткости.  Основания  сооружений,  относящиеся  к  абсолютно  гибким,  беспрепятственно  следуют  за  перемещениями  поверхности  грунтов  основания  во  всех  точках  контакта  так,  что  дополнительных  усилий  при  развитии  неравномерных  осадок  в  их  конструкциях  практически  не  возникает.  Даже  значительная  неравномерная  осадка  для  них  не  является  опасной.  Конструкция  вертикальных  стальных  цилиндрических  резервуаров,  которые  без  ущерба  для  прочности  могут  получать  большой  прогиб  (рис.  1)  при  заполнении  их  продуктом,  является  определяющей  при  оценке  соответствия  требованиям  промышленной  безопасности  и  возможности  дальнейшей  эксплуатации.  Оценить  степень  устойчивости  при  проведении  ЭПБ  в  рамках  типовых  программ  не  возможно,  поэтому  необходимо  проводить  дополнительные  научно-технические  исследования.

В  основу  наших  исследований  устойчивости  резервуаров  положены  следующие  условия:  использование  слабого  грунта  в  качестве  основания  с  применением  расчетов  по  проверке  устойчивости  и  надежности  оснований.

Принцип  и  конкретное  решение  задач  исследования  выбрано  на  основе  технико-экономического  сравнения  вариантов  с  учетом:

·требуемой  высоты  резервуаров;

·вида  и  особенностей  свойств  слабых  грунтов,  залегающих  в  основании  резервуаров.

Конкретное  решение  выбрано  на  основе  инженерно-геологических  данных,  вида  и  особенностей  слабого  грунта,  залегающего  в  грунтовом  полупространстве. 

Рисунок  1.  Схема  вертикального  стального  резервуара  *  Наименование  грунтов  для  слоёв  1,  2  и  3  указано  в  таблице  1

В  [1;  2]  решена  задача  об  оценке  критического  усилия  в  модели  грунтовой  среды  в  виде  однородного,  тяжёлого,  упругого  полупространства  под  действием  внешней  нагрузки,  приложенной  к  полупространству,  эпюра  которой  представляет  прямоугольный  треугольник.

  В  работе  [3]  рассмотрено  решение  аналогичной  задачи.  Но  модель  грунтовой  среды  представлена  двумя  плоско-параллельными  слоями,  лежащими  на  поверхности  полупространства,  а  эпюра  внешней  нагрузки  имеет  вид  равнобедренного  треугольника  (рис.2).  Тогда  напряжённое  состояние  модели  будет  определяться  весом  плоско-параллельных  слоёв  и  полупространства  σ_х⁰  =  σ_z⁰=γ₁h  ₁  +  γ₂h₂+γ₃[  z-(h₁+  h₂)]  и  влиянием  внешней  нагрузкиР,  где  σ_х⁰  и  σz⁰  -  начальные  составляющие  напряжении,  γ₁h  ₁  +  γ₂h  ₂  +  γ₃[  z-(h₁+  h₂)]  —  давление  от  собственного  веса  слоёв  грунта  с  учётом  водонасыщенного  слоя  до  уровня  z.  Формулы  для  вычисления  критического  давления  Р_кр  и  максимальной  глубины  его  проявления  z_макс  были  получены  на  основании  известных  аналитическихрешений  [4]  и  [6]. 

Рисунок  2.  Модель  грунтовой  среды  и  эпюра  внешней  нагрузки

В  результате  расчёта  в  [3]  были  получены  формулы  критических  усилий  Р_кр  и  максимальных  глубин  их  проявления  z_макс  для  различных  физико-механических  характеристиках  слабых  грунтов.

Формула  критического  усилия  Р_кр  имеет  вид  [3]:

 ,  (1)

где 

(2)

Максимальная  глубина  проявления  критического  усилия  z_макс  равна  [1]

.  (3)

Формулы  (1)  и  (3)  позволяют  вычислять  z_макс  и  Р_кр  в  полупространстве.  В  этих  формулах  z_макс  и  Р_кр  зависят  от  большого  количества  физико-механических  и  геометрических  характеристик  модели.  Придавая  им  различные  значения  можно  получить  формулы  для  z_макс  и  Р_кр  для  различных  вариантов  моделей  среды  и  эпюр  внешней  нагрузки. 

  При  решении  задач,  связанных  с  оценкой  напряжённо-деформированного  состояния  в  основаниях  стальных  цилиндрических  резервуаров,  в  основу  расчётной  схемы  положена  модель  грунта  в  виде  линейно–упругого  грунтового  слоя  (рис.  3).  На  уровне  подошвы  стального  резервуара  от  действия  прогиба  имеет  место  равнобедренная  эпюра  давлений.  Поэтому  с  помощью  полученных  аналитических  выражений  в  [3]  было  проведено  исследование  грунтового  основания  резервуаров.  Грунты,  залегающие  под  резервуаром,  указаны  в  таблице  1.

Таблица  1. 

Геотехнические  характеристики  грунтовой  толщи

*Почвенно-растительный  слой  толщиной  0,2  ÷  0,3  м  срезается  и  в  расчётах  не  учитывается.

В  качестве  расчётных  геотехнических  характеристик  слабого  грунтового  слоя  приняты  значения,  указанные  таблице  2.

Таблица  2. 

Физико-механические  характеристики  грунтового  полупространства

Расчётное  давление  на  основание  от  заполненного  резервуара  равно  [6]

Р^расч  =  1,2Р  +  1,4  Р_сн=1,2·180+1,4  ·1,8=218,52  кН/м²=0,22  МПа  ,  (4) 

где  Р=  180  кН/м²  —  нормативная  нагрузка  от  конструкций  резервуара  h  =  7  м,  с  учётом  продукта,  Р_сн  =  1,8  кН/м²  —  нормативная  снеговая  нагрузка  [5]. 

Рисунок  3.  Расчётная  схема  нагрузки  от  прогиба  днища  стального  резервуара

Критическую  нагрузку  найдём  по  формуле  (1)

(5) 

где 

  (6)

Результаты,  полученных  исследований,  сведены  в  таблицу  3.

Таблица  3. 

Результаты  расчётов  физических  и  силовых  характеристик  на  грунтовое  полупространство

В  результате  расчётов  устойчивости  резервуаров  следует  отметить:

·     при  заданной  высоте  резервуара  h  =  7÷15  м  устойчивость  основания  является  достаточной  и  специальных  мер  её  повышению  не  требуется.

По  результатам  исследования  критических  нагрузок  для  оснований  резервуаров  было  определено  техническое  решение  о  наиболее  целесообразном  варианте  конструкции  оснований  на  слабых  грунтах.  Критерием  устойчивости  грунтовых  оснований  являлась  проверка  грунтовой  среды  на  условие:  Р_РАСЧ  <  Р_КР.  Проверка  условия  выполнялась  в  зависимости  от  требуемой  высоты  конструкций  резервуаров  и  качества  подстилающего  грунта  в  основании. 

Для  других  случаев,  где  условие  устойчивости  не  будет  соблюдаться,  т.е.  Р_РАСЧ  >  Р_КР  должны  быть  применены  мероприятия,  обеспечивающие  устойчивость  основания.  Аналитические  выражения  и  методики  расчёта,  приведённые  в  настоящей  статье,  могут  быть  использованы  для  расчёта  устойчивости  любых  вертикальных  конструкций  стальных  резервуаров  с  учетом  различных  физико-механических  характеристик  слабых  грунтов.

Список  литературы:

1. Кравченко  Т.И.,  Филатов  В.В.  Оценка  предельного  критического  усилия  на  упруго-пластическую  грунтовую  среду  от  действия  треугольной  нагрузки  //  Изв.  вузов.  Горный  журнал.  —  2012,  —  №  5.  —  С.  68—72. 
2. Кравченко  Т.И.  Пищик  Г.Ф.  Исследование  предельных  критических  усилий  и  глубины  залегания  зон  предельного  равновесия  для  некоторых  видов  нагрузок  /  Известия  Ивановского  отделения  ПАНИпри  ИГАСА.  Вып.  6.  Иваново,  2001.  —  С.  110—113.
3. Кравченко  Т.И.,  Филатов  В.В.  Дефекты  зданий  и  сооружений.  Усиление  строительных  конструкций  //Сборник  научных  статей  ХIХ  научно-методической  конференции  ВИТУ  (19.03.  2015  г.)/  ВИ  (ИТ)  ВА  МТО  (ВИТУ).  —  СПб,  2015  —  С.  162—167.
4. Маслов  Н.Н.  Прикладная  механика  грунтов.  М.:  Машстройиздат,  1949.  —  328  с. 
5. СП  20.13330.2011  «Нагрузки  и  воздействия».  Актуализированная  редакция  СНиП  2.01.07-85*.
6. Цытович  Н.А.  Механика  грунтов.  4-е  изд.  М.:  Высшая  школа,1983.  —  281  с.