CC BY
33
УД<«9.7.018 В Г цЬ|СС
М. Ю. СЕРГАЕВА А. М. ЛЮБЫХ А. А. СЕРГАЕВ
Омский государственный технический университет
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО АМОРТИЗАТОРА СИСТЕМЫ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ШАРОВОГО РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Рассмотрено применение резинометаллических сейсмоизонирующих опор (РМСО) в системах сейсмоизоляции шаровых резервуаров для хранения жидких углеводородов. Исследовано напряженно-деформированное состояние резинометаллических амортизаторов, входящих в состав РМСО. На основе расчетов НДС сделано заключение, что введение в конструкцию опорных стоек системы сейсмоизоляции шаровых резервуаров резинометаллических сейсмоизолирующих опор позволяет снизить значения сдвигающих нагрузок и изгибающих моментов в 1,5—2 раза.
Ключевые слова: сейсмоизоляция, шаровой резервуар, резинометаллический амортизатор, напряженно-деформированное состояние.
В настоящее время в системах сейсмоизоляции сооружений нефтегазовой отрасли находят применение резинометаллические сейсмоизолирующие опоры (РМСО) [ 1 ], которые в общем случае представляют набор чередующихся резиновых и металлических листов, заключенных между опорными металлическими пластинами.
Для предотвращения просадки сооружения под нагрузкой РМСО выполняются жесткими в вертикальной и податливыми в горизонтальной плоскостях. При этом для обеспечения упругого бокового перемещения они обладают малой жесткостью в горизонтальной плоскости. К числу достоинств РМСО можно
отметить то, что они просты по конс-трукции и легко изготавливаются. Требуемые значе-ния параметров легко подбираются за счет изменения числа и толщин отдельных слоев. Системы сейсмоизо-ляции с применением таких опор существенно сни-жают уровень динамических воздействий и уменьша-ют период собственных колебаний.
В настоящей работе ставится задача исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) резинометаллических амортизаторов системы сейсмоизоляции шарового резервуара при действии статических нагрузок, атакжеоценка эффективности их применения.
Резервуар для хранения жидких углеводородов установлен на девяти опорных стойках диметром 820 мм, которые опираются на фундамент через РМСО (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения РМСО
Рис. 4. Конечноэлементная модель резинометаллнческого рИс. 5. Схема опорной конструкции шарового резервуара
элемента
Сейсмоизолирующая опора шарового резервуар« включает три резинометаллических амортизатора, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных резинометаллических элементов (рис. 2).
Амортизатор должен обеспечивать работоспособность при действии статической нагрузки сжатия (при заполненном шаровом резервуаре) на одну сей-смоизолирующую опору не свыше 3042,5 кН, которая равномерно распределяется между тремя амортизаторами, входящими в состав одной РМСО. Статическая нагрузка сжатия на одну сейсмоизолирующую опо-рупринезаполненномшаровомрезервуаре составляет не более 413,1 кН. При этом статическая жесткость амортизатора при статической нагрузке составляет:
— в направлении оси Ъ (сжатие) — не менее 1,36 108Н/м;
— в направлении оси X (У) (сдвиг) — 1,3-107Н/м.
С целью обеспечения снижения нагрузок на фундамент использованы РМСО, механические характеристики которых приведены в табл. 1.
На рис. 3 представлена расчетная модель резино-металлической сейсмоизолирующей опоры, состоящей из трех амортизаторов.
Резинометаллический элемент состоит из двух стальных пластин 850x710 мм толщиной 5 мм и резино-
вого массива между ними. Механические характеристики резиновой смеси, используемые при расчете, приведены в табл. 2. Механические характеристики металлических пластин соответствуют марке стали СтЗ.
Расчет НДС выполнялся на основе метода конечных элементов в программном продукте ANSYS 11 [2]. Конечно-элементная модель представлена на рис. 4. При моделировании твердотельных объектов использованы трехмерные восьмиузловые конечные элементы SOLID 45, для моделирования контактной пары — элементы CONTACT 171. В качестве граничных условий приняты нулевые перемещения нижней пластины.
Расчет напряженно-деформированного состояния шарового резервуара в делом проведен в программном продукте SCAD [3], в результате которого определены нагрузки, приходящиеся на резинометалличе-ские опоры. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Номера опор соответствуют схеме, представленной на рис. 5. При этом рассмотрен наиболее характерный случай — поперечное сдвиговое воздействие на пластины резинометаллнческого амортизатора (направление действия сдвигового усилия — против оси X).
Таблица 1
Механические характеристики РМСО
СР — жесткость на сжатие, Н/м 0,06-10ю
Сс — жесткость на сдвиг, Н/м 1,334-107
Св — жесткость на изгиб, Н-м/рад 0,14-Ю9
С2 — жесткость на кручение, Н м/рад 0,134-Ю9
н7 — сжатие опоры, мм 0,51
Таблица 2
Механические характеристики резиновой смеси
Свойство Значение Единицы измерения
Модуль упругости 8,5-Ю6 Па
Коэффициент Пуассона 0,49
Модуль сдвига 1.3-10® Па
Удельный вес 1000 кг/м3
Предел прочности при растяжении 1,996 Па
Условное напряжение при 300% удлинении 12,85 МПа
Относительное удлинение при разрыве 450 %
Твердость 72 По Шору
Прочность связи металл-резина 7,3 МПа
Таблица 3
Расчетные нагрузки при использовании РМСО
№ опоры Fx, кН Fy, кН Fz, кН Мх, кНм My, кНм Mz, кНм
1 555,29 0 3361,28 0 1624,41 0
2 817,03 - 310,88 2910,0 - 665,18 1075,93 0,65
3 1168,8 - 105,54 1767,91 - 256,0 328,45 1,01
4 1026,99 277,94 469,18 537,62 593,66 0,88
5 623,42 - 205,34 - 378,69 409,18 1407,35 0,34
6 623,42 - 205,34 - 378,69 409,18 1407,35 0,34
7 1026,99 277,94 469,18 537,62 593,66 0,88
8 1168,8 - 105,54 1767,91 - 256,0 328,45 1,01
9 817,03 - 310,88 2910,0 - 665,18 1075,93 0,65
Таблица 4
Расчетные нагрузки при отсутствии резинометаллических амортизаторов
№ опоры Fx, кН Fy, кН Fz, кН Мх, кНм My, кНм Mz, кНм
1 479,58 0 3386,88 0 3509,63 0
2 937,68 - 540,4 2929,43 - 1059,61 2654,12 1,28
3 1550,31 - 175,6 1772,22 - 455,18 1471,49 1,98
4 1294,03 497,81 456,69 766,91 1834,04 1,73
5 579,66 364,8 - 402,65 604,45 3052,08 0,67
6 579,66 364,8 - 402,65 604,45 3052,08 0,67
7 1294,03 497,81 456,69 766,91 1834,04 1,73
8 1550,31 - 175,6 1772,22 - 455,18 1471,49 1,98
9 937,68 - 540,4 2929,43 - 1059,61 2654,12 1,28
Рис. 8. Эквивалентные напряжения, возникающие в металлическом листе
Из табл. 3 видно, что максимально нагруженными являются опоры № 5,6. Следовательно, нагрузки, возникающие в данных опорах, можно использовать для расчетной модели.
Результаты расчета напряженно-деформированного резинометаллического амортизатора от действия поперечных сдвиговых нагрузок приведены на рис. 6 — 8.
Для оценки эффективности применения РМСО в системах сейсмоизоляции шаровых резервуаров в табл. 4 приведены значения усилий, возникающих в опорах при отсутствии РМСО.
Сравнивая результаты расчета, приведенные в табл. 4, со значениями табл. 3, можно сделать вывод о том, что при использовании резинометаллических амортизаторов значения изгибающих моментов в основании опорных стоек уменьшается более чем в два раза, а значения сдвигающих нагрузок — примерно в полтора раза.
Таким образом, в результате проведенного анализа наряжено-деформированного состояния РМСО можно отметить следующее. Введение в конструкцию опорных стоек системы сейсмоизоляции шаровых резервуаров резинометаллических сейсмоизолиру-ющих опор позволяет снизить значения сдвигающих нагрузок и изгибающих моментов в 1,5 — 2 раза.
Библиографический список
1. Базилевский, С. В. Резинометаллические сейсмоизолиру-ющие опоры / С. В. Базилевский. - М.: ВНИИИС, 1983. - Сер. 14. - Вып. 4. - С. 6-9.
2. Басов, К. A. ANSYS. Справочник пользователя / К. А. Басов. — М.: ДМК пресс, 2005. - 640 с.
3. SCAD OFFICE. Вычислительный комплекс SCAD. — М. : Ассоциация строительных вузов, 2004 — 590 с.
ЦЫСС Валерий Георгиевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».
СЕРГАЕВА Марина Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация». ЛЮБЫХ Александр Михайлович, аспирант кафедры «Основы теоретической механики и автоматического управления».
СЕРГАЕВ Александр Александрович, аспирант кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».
Адрес для переписки: e-mail: MJSergaewa@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 10.03.2011 г. © В. Г. Цысс, М. Ю. Сергеева, А. М. Любых, А. А. Сергеев
