CC BY
222
УДК 624.953
П.В. Бурков, С.П. Буркова, В.Ю. Тимофеев, А.А. Ащеулова, Б.Д. Брюханов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТАЛЬНОГО РЕЗЕРВУАРА ОТ ВЛИЯНИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Листовые стальные конструкции находят широкое применение в различных отраслях промышленного производства, составляя по массе около трети всех строительных металлоконструкций. Большинство листовых металлоконструкций представляет собой емкостные сооружения, предназначенные для приема, хранения, переработки и отпуска жидкостей, газов или сыпучих материалов. В металлических резервуарах хранится основная масса нефти и нефтепродуктов. Широко распространены вертикальные цилиндрические резервуары, отличающиеся индустриальностью заводского изготовления, повышенной транспортабельностью, простотой монтажа.
Действие ветра на сооружения данного типа проявляется в виде статической ветровой нагрузки
и в возбуждении колебаний конструкций. Недостаточность знаний о действии ветра на сооружение приводила к обрушению строительных конструкций, в частности резервуаров. Основными причинами аварий были ошибки в назначении величины расчетной ветровой нагрузки, неправильное представление о характере ее распределения по сооружению, недостаточный учет аэродинамических характеристик, вибрация конструкций. Поэтому анализ влияния ветровой нагрузки на резервуар, а также моделирование напряженно-деформированного состояния резервуара, с действующими на него ветровыми нагрузками, с помощью метода конечных элементов и современных программных комплексов является актуальной научной задачей.
Рис. 1. Эпюра максимальных напряжений по критерию Мизеса в стенке РВС при ветровой нагрузке
Рис. 2. Эпюра деформации стенок РВС от действия ветровой нагрузки
Строительные конструкции
137
Реакция сооружений на ветровую нагрузку будет различной: жесткие конструкции воспринимают ее как статическую, реакция гибких конструкций зависит от частоты свободных (собственных) колебаний. Ветровая нагрузка на сооружения в основном зависит от геометрических параметров сооружения и скорости ветра [1-3]. Основным конструктивным элементом резервуаров рассматриваемого вида является цилиндрическая стенка, которая представляет собой очень тонкостенную, а значит и малоустойчивую, оболочку, имеющую, к тому же, многочисленные начальные несовершенства геометрии, что также снижает общую ее устойчивость. Нужно также иметь в виду постоянно развивающиеся процессы коррозии, приводящие к уменьшению толщины поясов цилиндрической стенки, которые совместно с ветровой нагрузкой могут привести к потере устойчивости рассматриваемых сооружений. Это заставляет постоянно держать под контролем и совершенствовать теоретическую базу оценки устойчивости рассматриваемых сооружений.
Ветровая нагрузка w0 определяется в соответствии с районированием территории РФ по нормативному значению ветрового давления [3], где указано всего 8 ветровых районов. Однако суще-
ствуют также территориальные строительные нормы, например СНКК 20-303-2002 [5], в котором приведены особые и горные ветровые районы с нормативным давлением до 70 кгс/м2.При этом, в соответствии с [3], только для горных и малоизученных районов величину w0 допускается устанавливать на основе данных метеостанций Росгидромета. Нормативное значение V0 на основе этих данных определяют по формуле ^0=0,062 у02, где у0 - скорость ветра, м/с, на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, соответствующей 10-минутному интервалу осреднения и превышаемой в среднем 1 раз в 5 лет. Но опыт показывает, что нормативная скорость ветра, определенная в соответствии с [3], в действительности может превышаться: например, для Самары метеостанцией зарегистрирована скорость ветра у=26 м/с вместо нормативной 24,7 м/с, т.е. нормативное давление превышено в 1,1 раза. В связи с этим возникает вопрос об определении скорости ветра и ветрового давления, принимаемых для анализа состояния стенки резервуаров после влияния ветровой нагрузки, как при монтаже, так и при эксплуатации.
В последние десятилетия в строительстве и машиностроении получили развитие расчетные
Высота резервуара.
Рис. 3. График изменения максимальных напряжений по критерию Мизеса в стенке РВС
Высота резервуара,
Рис. 4. График изменения деформаций (смещений) в стенке РВС
системы моделирования процессов нагружения реализующие метод конечных элементов (МКЭ). Возможности метода постоянно расширяются, также расширяется и класс решаемых задач. В настоящее время расчеты, направленные на изучение напряженно-деформированного состояния объектов с использованием МКЭ, используют и в промышленности, и в научных целях [8].
Одной из систем автоматического проектирования, реализующих МКЭ является Autodesk Inventor - система трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования (САПР) компании Autodesk, предназначенная для создания цифровых прототипов промышленных изделий. Инструменты Inventor обеспечивают полный цикл проектирования и расчета технических систем. В данном случае рассмотрим резервуар вертикальный стальной (РВС) вместимостью 4000 м3, предназначенный для хранения нефти и нефтепродуктов с характеристиками: радиус ^=10,43 м, высота H=12 м, на который воздействует ветровая нагрузка равная 60 кгс/м2 (V ветровой район). В соответствии с исходными данными создана расчетная модель в системе Autodesk Inventor. К созданной модели приложены ограничения и статическая нагрузка от ветра (рис.1). Направление ветровой нагрузки показано стрелкой.
Моделирование воздействия ветровой нагрузки показало, что при заданных условиях и геометрии РВС максимальные напряжения будут прояв-
ляться в нижней части в районе основания резервуара и составят 77,18 кПа. Следующим этапом расчета стало определение эпюры деформации (смещения) от действия заданной нагрузки (рис.2).
Моделирование показало, что максимальное смещение имеет место в верхней части резервуара и составит 0,005 мм (на эпюре, для наглядности, деформация показана укрупнено).
Для анализа полученных данных был построен график изменения напряжений в стенке РВС (рис. 3) и график изменения деформации стенки (рис. 4) в зависимости от его высоты.
Анализ графиков показал, что наибольшие напряжения возникают в нижней части, так как в целях сохранения устойчивости РВС жестко закреплен на фундаменте, при этом увеличение величины напряжений носит практически линейный характер. Деформация, в свою очередь, больше проявилось в верхней части, обладающей большей степенью свободы по сравнению с нижней, при этом на высоте порядка 1 м от график имеет излом, что обусловлено круглой формой резервуара и линейным приложением равномерно распределенной нагрузки на проекцию стенки.
Полученные данные и методика проведения расчетов позволит в дальнейшем выявить предельные состояния исследуемого объекта, а также разработать ряд рекомендаций по снижению напряжений в стенках РВС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПБ 03-381-00. Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. - М.: изд. Госгортехнадзора России, 2001.
2. ПБ 03-381-03. Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. - М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.
3. СНиП 2-01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М., 2003.
4. СНиП 2-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. - М., 1991.
5. СНКК 20-303-2002. Нагрузки и воздействия. Ветровая и снеговая нагрузки. - Краснодар, 2003.
6. СавицкийГ.А. Ветровая нагрузка на сооружения. - М.: изд. Лит-ры по строительству, 1972.
7. Егоров. Е.А., Федоряка Ю.В. Исследование вопросов устойчивости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Металлические конструкции. - 2006. - Т. 9, №1. - С.89-97.
8. П.В. Бурков, С.П. Буркова, А.А. Алёшкина, А.А. Ащеулова, В.Ю. Тимофеев Исследование состояния днища вертикального стального резервуара, анализ методик диагностики его состояния и выявления причин его деформации // Вестни
□ Авторы статьи
Бурков Петр Владимирович. докт.техн.наук, проф. . каф. общей электротехники и автоматики (Томский гос. архитектурно-строительный университет).
Email: [email protected]
КузГТУ. 2013. № 4. С. 79-81.
Буркова Светлана Петровна, доцент каф. начертательной геометрии и графики (Национальный исследовательский Томский политехнический университет). Email: [email protected].
Тимофеев Вадим Юрьевич, доцент каф. горно-шахтного оборудования (Юргинский технологический институт (филиал) НИ ТПУ, Email: [email protected]
. Ащеулова Алиса Алексеевна. студент гр. 519 (Томский гос. архитектурно-строительный университет), тел. 8 (3822) 652237
Брюханов Борис Дмитриевич. магистрант ( каф. транспорта и хранения нефти и газа НИ ТПУ). Email: [email protected]
