РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Конструкции из листового проката представляют собой сплошные тонкостенные пространственные конструкции в виде оболочек разнообразной формы. Они состоят из металлического листового проката, которые обычно совмещают несущие и ограждающие конструкции. Данные конструкции используют для хранения, погрузки, транспортировки, переработывания жидкостей, газов и сыпучих веществ.

Названия металлических листовых конструкций по назначению:

1. Резервуары для хранения и технологической обработки различных жидкостей (масел, воды, сжиженных газов, нефти, нефтепродуктов, аммиака, кислот, спиртов и пр.);
2. Газгольдеры для хранения, для регулирования их расходов и давления смешивания, а также выравнивания состава газов;
3. Бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих веществ (руды, угля, песка, щебня, гравия, цемента и др.);
4. Трубопроводы большого диаметра (D>0,5 м);
5. Специальные листовые конструкции металлургической, химической, нефтяной и др. отраслей промышленности.

По характеру работы листовые конструкции подразделяются на:

-надземные, наземные, полузаглубленные или подземные;

-наливные или работающие под внутренним давлением, вакуумом;

-находящиеся под воздействием высокой, низкой или нормальной температуры;

-работающие на знакопеременную, ударную и статическую, нагрузки;

-работающие в условиях агрессивной или нейтральной среды и т.п.

Таким образом, условия работы листовых конструкций многочисленны.

Рисунок 1. Шаровой и каплевидный резервуары

Рисунок 2. Схема силоса для хранения цемента

Особенности листовых конструкций

Листовые конструкции работают в более тяжелых по сравнению с другими типами металлических конструкций условиях.Они почти постоянно испытывают значительные напряжения, близкие к расчетным сопротивлениям, в зонах сопряжения их элементов возникают значительные местные напряжения, обусловленные краевым эффектом, температурными воздействиями, а также большим числом сварных швов.

Исследование работы оболочек показало, что напряженное состояние упругой тонкой оболочки может быть разложено на три компонента:

1. безмоментное двухосное напряженное состояние, когда равновесие оболочки определяется только напряжениями, равномерно распределенными по ее толщине;

2. моментное состояние, когда учитывается неравномерное распределение напряжений по толщине листа;

3. краевой эффект, когда имеется локальное влияние силовых факторов, проявляющихся в местах:

- сопряжения оболочек листовых конструкций;

- защемления оболочки в крыше;

- защемления оболочки в кольце жесткости;

- защемления оболочки в плоском днище;

- изменения толщины листов и т.п.

Рассмотрим некоторые места возникновения краевого эффекта для каждого вида листовых конструкций.

Доменные печи: места сопряжения площадок обслуживания и газоотводов с кожухами и т.д.

Газгольдеры: места сопряжения опорных стоек с оболочкой и т.д.

Резервуары: вертикальные: защемление оболочки в днище, защемление оболочки в крыше, места врезки патрубков, люков и т.д.

Трубопроводы: узлы примыкания трубопроводов и т.д.

Дымовые трубы: узлы примыкания газоходов к трубе, место соединения цилиндрической и конической оболочек, место соединения трубы с опорным кольцом и т.д. [3]

Нормативное значение веса оборудования, в том числе трубопроводов, следует определять на основании стандартов, а для нестандартного оборудования - на основании паспортных данных заводов-изготовителей или рабочих чертежей. [5]

Нагрузки от веса оборудования включают в себя: заполнителей оборудования (жидкость), собственный вес установки, вес изоляции и т.п.

Коэффициент надежности по нагрузке для веса стационарного оборудования γ_f=1,05, изоляции стационарного оборудования γ_f=1,2, заполнителя оборудования (жидкости) γ_f=1,0.

Рисунок 3. Схема давления жидкости при гидроиспытаниях и эксплуатации

Коэффициент надежности по нагрузке для равномерно распределенных нагрузок от избыточного давления и вакуума следует принимать γ_f=1,2, так как их полное нормативное значение равно 2,0 кПа.

При задании равномерно распределенной снеговой нагрузки значение коэффициента , который учитывает снос снега с покрытия сооружения под действием ветра или иных факторов, следует устанавливать в зависимости от диаметра основания резервуара.

Схему распределения неравномерной снеговой нагрузки и значение коэффициента  следует принимать в соответствии с приложением Б.12 [1].

При проверке прочности поясов стенки также учитывается их работа в меридиональном (вертикальном) направлении от следующих нагрузок: массы крыши, оборудования, теплоизоляции, снега.

Поверочный расчет на прочность для каждого пояса стенки резервуара рекомендуется проводить в соответствии с п. 11.1.1

≤ R_y ∙ γ_c                                          (1)

где σ_x- кольцевое растягивающее напряжение от гидростатического давления жидкости и избыточного давления в газовоздушном пространстве под стационарной крышей, вычисляемое для нижней точки каждого пояса, МПа;

 – меридиональное сжимающее напряжение от указанных выше расчетных нагрузок, МПа;

R_y    – расчетное сопротивление стали по пределу текучести;

γ_c   – коэффициент условий работы конструкций.

При расчете стенки на устойчивость рассматривается пустой резервуар с внутренним вакуумом. Сжатие стенки в меридиональном направлении возникает с учетом массы вышерасположенных конструкций, массы оборудования, теплоизоляции, нагрузки от снега и вакуума. Растяжение в кольцевом направлении возникает от действия ветровой нагрузки.

В резервуарах, которые работают с внутренним избыточным давлением, узел сопряжения крыши со стенкой необходимо также проверить на устойчивость в случае действия кольцевого сжимающего усилия, возникающего от нагрузок второго основного сочетании нагрузок по формуле

                                                  (2)

где φ – коэффициент устойчивости при центральном сжатии, определяемый в зависимости от условной гибкости  .

Самое первое обследование технического состояния объекта проводится не позднее, чем через два года после ввода его в эксплуатацию. В дальнейшем обследование технического состояния проводится не реже одного раза в 10 лет и не реже одного раза в пять лет для зданий и сооружений или их отдельных элементов, работающих в неблагоприятных условиях. [4]

Обследование и мониторинг технического состояния сооружений проводят также:

• по истечении нормативных сроков эксплуатации сооружений;
• при обнаружении значительных дефектов, повреждений и деформаций в процессе технического обслуживания;
• по результатам последствий пожаров, стихийных бедствий, аварий, связанных с разрушением сооружения;
• по инициативе собственника объекта. [2].

Список литературы:

1. СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*».
2. СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СниП II-23-81* (с Изменением N 1)».
3. ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».
4. «Руководство по безопасности вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов», Москва 2013.
5. СТО-СА-03-002-2009 «Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов», Москва 2009.