CC BY
7
М Инженерный вестник Дона, №6 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2023/8488
Определение сейсмической нагрузки при воздействии на надземные
стальные газопроводы
Т.В. Ефремова, Д.С. Богиян
Институт архитектуры и строительства Волгоградский Государственный технический университет
Аннотация: В статье рассмотрено влияние сейсмической нагрузки при различной балльности на надземные стальные газопроводы различных диаметров в зонах возможных землетрясений. Исследовано изменение доли сейсмической нагрузки к общей нагрузке, действующей на газопроводы в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: сейсмическая активность, нагрузки на газопроводы, анализ сейсмической активности, степень сейсмической опасности.
В последние годы внимание всего мира все больше обращено к повреждениям ненесущих элементов зданий в результате землетрясений.
Такие элементы, как фасадные системы, внутренняя отделка, различные механизмы, трубопроводы и распределительные линии, если они были рассчитаны только на статическую работу, как правило, не в состоянии выдержать дополнительную горизонтальную нагрузку, возникающую в результате землетрясения, даже если оно имеет малую интенсивность [1,2].
Землетрясение может привести к смещению тяжелого оборудования, например, трансформаторов или распределительных подстанций, обрушению или деформации трубопроводов и линий электропередач, что может привести к печальным последствиям, таким, как:
• распространение пожара или взрыв горючих газов в результате повреждения электропроводки;
• загрязнение или отравление опасными жидкостями;
• преграждение путей эвакуации;
• прекращение функционирования систем здания, обеспечивающих общественную безопасность;
• остановка производственных процессов.
Исследования показали, что стоимость ремонта после землетрясения в значительной степени зависит от повреждений ненесущих элементов зданий,
чье восстановление иногда много дороже, чем восстановление несущих конструкций. Как правило, при расчете несущих элементов преобладают нагрузки от собственного веса и эксплуатационные нагрузки [3].
Это применимо и к ненесущим конструкциям и различному оборудованию, а также к монтажным системам.
В случае землетрясения на трубопроводы передаются горизонтальные усилия за счет некоторых колебаний земной поверхности. Поэтому оценка сейсмических рисков площадки и специфика сооружения при проектировании в сейсмоактивных зонах имеют важное значение [4,5]
При проектировании наружных газопроводов в сейсмоопасных районах необходимо добиваться такого положения газопровода, при котором он выдерживает с запасом все максимальные нагрузки и потенциальные воздействия в процессе эксплуатации [6,7,8]
Наибольшую сложность при определении нагрузок и воздействий представляет сейсмическая нагрузка, зависящая от многих критериев как постоянного, так и переменного значения. Расчетная сейсмическая нагрузка [9,10] (силовая или моментная) по направлению обобщенной координаты с номером приложенная к узловой точке k РДМ и соответствующая ьй форме собственных колебаний и сооружений, определяется по формуле:
р* = К • к1 • Лс (1)
р0 - значение сейсмической нагрузки [2] для /-й формы собственных
колебаний здания или сооружения, определяемое в предположении упругого деформирования конструкций по формуле:
Р*0 = Я • тг • А • КА -Рг • К'Ч* > (2)
Исходя из полученного выражения, произведен расчет сейсмической нагрузки для различных диаметров стальных газопроводов при сейсмической активности в 7, 8 и 9 баллов. Результаты расчета представлены в таблице 1.
Таблица 1. - Сейсмические нагрузки, воздействующие на надземные газопроводы
Диаметр газопровода, мм Нагрузки, воздействующие на надземные газопроводы, кПа, при сейсмической активности
7 баллов 8 баллов 9 баллов
32 236 25 260 49 309 99
38 242 26 268 52 320 104
45 249 28 277 56 333 112
57 262 31 293 62 355 124
76 291 38 329 77 406 153
89 341 52 393 104 498 209
108 378 62 440 124 563 247
133 441 79 520 157 677 315
159 514 99 613 197 810 394
219 743 162 905 324 1229 647
273 994 232 1226 464 1690 927
325 1148 273 1420 546 1966 1092
426 1460 357 1817 714 2530 1427
530 1790 445 2235 890 3125 1781
630 2097 526 2624 1053 3677 2106
720 2610 668 3278 1337 4615 2674
820 3199 832 4031 1664 5695 3327
920 3573 931 4505 1862 6367 3724
1020 4260 1122 5381 2243 7625 4487
По полученным значениям таблицы 1, построены графики для 7,8 и 9
баллов (рис. 1).
Общий график нагрузок при 1, 8 и 9 баллах
1200
т
о
о 1000
со
о
о. 800
с
о
СП 600
а. 1_ 400
<и
> та 200
х
0
О 1000 2000 3000 4000 5000
Сейсмическая нагрузка РэО
• 7 баллов • 8 баллов • 9 баллов
Рис.1. Общий график зависимости нагрузок на диаметры газопровода при сейсмичности 7,8 и 9 баллов Исходя из полученных данных таблицы 1 и рис. 1, можно определить процентное соотношение сейсмической и общей нагрузок, воздействующих на надземные газопроводы (таблица 2 и рис. 2).
Таблица 2 - процентное соотношение сейсмической и общей нагрузок
Диаметр газопровода, мм Сейсмическая нагрузка на газопровод, %
7 баллов 8 баллов 9 баллов
1 2 3 4
32 11 19 32
38 11 19 32
45 11 20 34
57 12 21 35
76 13 23 38
89 15 26 42
108 16 28 44
133 18 30 46
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4
159 19 32 49
219 22 36 53
273 23 38 55
325 24 38 56
426 24 39 56
530 25 40 57
630 25 40 57
720 26 41 58
820 26 41 58
920 26 41 58
1020 26 42 59
График процентного соотношения сейсмической общей нагрузок 11 тпп и
со о 5 1000 ш а. 800 с 0 ^ 600 о. 400 ь <и 1 200 * 0 ф • •
1 1 1
I 1
} } иг
> У
0
) 10 20 30 40 50 60 7 % —•—7 баллов —•— 8 баллов —•— 9 баллов
Рис.2 График процентного соотношения сейсмической и общей
нагрузок
Анализ полученных результатов показывает, что сейсмическая нагрузка в процентном отношении составляет от 11 до 59 %, причем увеличение доли нагрузки наблюдается как с увеличением диаметра, так и с увеличением сейсмической активности. При этом увеличение доли сейсмической нагрузки для диаметров от 32 до 273 мм имеет более плавную линию, а при больших диаметрах линия доля сейсмической нагрузки возрастает более резко. Учет сейсмической нагрузки при проектировании надземных стальных газопроводов позволяет обеспечить нормальное функционирование системы газоснабжения даже при высокой сейсмической активности в районе строительства.
Литература
1. Alaska Pipeline Explosion! Earth Island Journal. 1998. Т. 14. № 1. p. 21. URL: elibrary.ru/keyword_items.asp?id=1744963&show_option=0.
2. Lamkie A.J., Davis D. Night Into Day: The Edison, New Jersey, Gas Pipeline Explosion. Fire Engineering Journal. 1995. Т.148. № 5. рр. 34-42. URL: elibrary.ru/item.asp?id=2367660.
3. Ефремова Т.В., Меньшов Р.В. Основные аспекты реконструкции системы газоснабжения ОАО «Волгограднефтемаш» // Инженерный вестник Дона, 2022, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2022/7492.
4. Прокопов А.Ю., Акопян В.Ф., Гаптлисламова К.Н. Изучение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и взаимного влияния подземных конструкций существующих и вновь возводимых сооружений в береговой зоне морского порта Тамань // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.
5. Наваррете, Д.Д.Х. Особенности строительства трубопроводов в районах с высокой сейсмичностью. Уфа, 2013. - 163 с.
6. Гумеров, Р.А. Научно-методическое обоснование системы автоматизированного мониторинга магистральных нефтепроводов на сейсмоопасных участках: дис. канд.техн. наук.: Уфа: УГНТУ, 2017. -174 с
7. Фигаров, Э.Н. Разработка методики оценки напряженно -деформированного состояния трубопровода в зонах активных тектонических разломов с целью обеспечения его безопасной эксплуатации: дис. канд.техн. наук. М.: РГУ им. Губкина, 2014. - 127 с.
8. Николаев, А.В. Сейсмические свойства грунтов. М.: Изд-во «Наука», 1965. - 184 с.
9. Гехман, А.С. Расчёт, конструирование трубопроводов в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1988. - 184 с.
10.Eurocode 8 - Design of structures for earthquake resistance - Part 4: Silos, tanks and pipelines. 1998. p 79. URL: phd.eng.br/wp-content/uploads/2014/12/en. 1998.4.2006.pdf
References
1. Alaska Pipeline Explosion! Earth Island Journal. 1998. T. 14. № 1. p. 21. URL: elibrary.ru/keyword_items .asp?id=1744963&show_option=0.
2. Lamkie A.J., Davis D. Night Into Day: The Edison, New Jersey, Gas Pipeline Explosion. Fire Engineering Journal. 1995. T.148. № 5. p.p. 3442. URL: elibrary.ru/item.asp?id=2367660.
3. Efremova T.V., Men'shov R.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2022/7492.
4.Prokopov A.Ju., Akopjan V.F., Gaptlislamova K.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.
5. Navarrete, D.D.H. Osobennosti stroitel'stva truboprovodov v rajonah s vysokoj sejsmichnost'ju [Features of pipeline construction in areas with high seismicity].: dis. kand. tehn. nauk.: Ufa, 2013. 163 p.
6. Gumerov, R.A. Nauchno-metodicheskoe obosnovanie sistemy avtomatizirovannogo monitoringa magistral'nyh nefteprovodov na sejsmoopasnyh uchastkah [Scientific and methodological substantiation of the automated monitoring system of oil trunk pipelines in earthquake-prone areas].: dis. kand.tehn. nauk.: Ufa: UGNTU, 2017. 174 p.
7. Figarov, Je.N. Razrabotka metodiki ocenki naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija truboprovoda v zonah aktivnyh tektonicheskih razlomov s cel'ju obespechenija ego bezopasnoj jekspluatacii: dis. kand.tehn. nauk [Development of a methodology for assessing the stress-strain state of the pipeline in the zones of active tectonic faults in order to ensure its safe operation]. Moskva, RGU im. Gubkina, 2014. 127 p.
8. Nikolaev, A.V. Sejsmicheskie svojstva gruntov [Seismic properties of soils]. Moskva, Izd-vo «Nauka», 1965. 184 p.
9. Gehman, A.S. Raschjot, konstruirovanie truboprovodov v sejsmicheskih rajonah [Calculation, construction of pipelines in seismic areas]. Moskva, Strojizdat, 1988. 184 p.
10.Eurocode 8 - Design of structures for earthquake resistance - Part 4: Silos, tanks and pipelines. 1998. 79 p. URL: phd.eng.br wp-content uploads 2014 12 en.1998.4.2006.pdf.
