CC BY
17УДК 620.193:621.642.3
РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТНОГО КОЛЬЦА РЕЗЕРВУАРА С ДЕФЕКТАМИ
CALCULATION OF THE STEEL RESERVOIR FOUNDATION RING WITH DEFECTS
П. Ф. Сильницкий, М. А. Тарасенко, А. А. Тарасенко
P. F. Silnitsky, M. A. Tarasenko, A. A. Tarasenko
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень,
Ключевые слова: РВС, фундаментное кольцо, дефект, модель Key words: RVS, foundation ring, defect, model
При сооружении новых резервуарных парков, а так же при ремонте или реконструкции длительно эксплуатируемых резервуаров возникает потребность в расчете прочности фундаментного кольца. Задача существенно усложняется при наличии многочисленных дефектов металлоконструкций и самого фундамента. В существующих норамтивно-технических документах решение задачи в подобной постановке не приводится, однако, без подтверждающих расчетов положительное решение Главгосэкспертизы на проект не выдается. Совершенно очевидно, что расчеты для каждого резервуара будут оригинальными, с уникальным сочетанием возмущений напряженно-деформированного состояния (НДС), вызванным различными дефектами конструкции. После корректного составления расчетной схемы задача сводится к определению эквивалентного сечения армирующих стержней фундаментного кольца. Предлагается решение задачи численными методами с использованием программного комплекса «Structure CAD».
В случае выявления дефектов, на этапе диагностирования необходима оценка их влияния на напряженно-деформированное состояние резервуара. Одна из методик оценки уровня НДС резервуаров приводится в [1].
Обоснование возможности дальнейшей эксплуатации фундаментов предусматривает проверку деформаций основания и оценку прочности конструкций фундамента. Проверка деформаций основания осуществляется по данным инженерно-геологических изысканий, учитывая геологическое строение грунтового массива, вовлеченного в работу. Результатом оценки деформаций основания является определение абсолютной осадки и кренов фундамента, а также величины глубины сжимаемой толщи. В этом случае расчёт выполняется в соответствии с [2,3]. Проверочный расчёт на прочность конструкции фундамента выполняется с учётом результатов его обследования, где определены тип, расположение и диаметр рабочей арматуры, класс бетона и существующие дефекты. Методики расчёта прочности фундамента, представленные в [4, 5, 6], применимы только в случае осесимметричного нагружения, в отсутствие дефектов фундамента, однако, требования Главгосэкспертизы предусматривают в расчёте учёт всех дефектов и особенностей конструкции фундамента, что накладывает ограничения на применение данных методик. Реализация указанных выше требований может осуществляться с применением конечно-элементных моделей, позволяющих учитывать все конструктивные особенности и дефекты фундамента [7].
Для решения поставленной задачи авторами разработана конечно-элементная модель фундаментного кольца РВС(П,ПК)-20000, реализованная в системе прочностного анализа и проектирования конструкций «Structure CAD». Программный комплекс сертифицирован на соответствие действующим на территории РФ нормативно-техническим документам. Построение модели начинается с введения геометрических характеристик фундамента и элементов резервуара, после чего задаются типы конечных элементов.
Таким образом, методом триангуляции геометрическая модель преобразуется в конечно-элементную (рис. 1 ).
Рис. 1. Конечно-элементная модель РВС-20000
76
Нефть и газ
№ 5, 2011
Для расчёта необходимо задать следующие входные данные: характеристики грунтового массива, используемого в качестве основания резервуара; прочностные характеристики бетона фундамента; тип, диаметр и расположение армирующих элементов железобетонного кольца; максимально возможные для данного резервуара эксплуатационные нагрузки на фундамент.
Идеальная модель (см. рис. 1) создается для проверки адекватности расчетной схемы, составленной в соответствии с эксплуатационными нагрузками (рис. 2).
Результаты сравниваются с аналитическими решениями, выполненными в соответствии с действующими нормативными документами [2,3]. При погрешности между аналитическим и численным результатом в 7% решение продолжается, в противном случае сгущают сетку конечных элементов.
Рис. 2. Схема приложения эксплуатационных нагрузок к фундаментному кольцу:
1— центральная часть днища; 2 — листы окрайки днища; 3 — листы стенки; 4 — фундаментное кольцо; 5 — арматурные стержни; 6 — проектное положение металлоконструкций; Р^ — суммарная нагрузка от весов стационарного покрытия и оборудования, снегового покрова, и собственного веса стенки резервуара; Рс,д — гидростатическое давление столба жидкости на стенку и днище соответственно,сучётом веса понтона или плавающей крыши
Предложенный подход апробирован на эксплуатирующемся РВСП-20000, находящемся на одной из ЛПДС ОАО «Сибнефтепровод» в Среднем Приобье. Расчёт аналитическими методами осложнялся наличием ряда дефектов фундаментного кольца, выявленных в ходе обследования фундамента. Среди них можно выделить: отслоение защитного слоя бетона, коррозионное повреждение и нарушение целостности стержней арматуры, зазоры между окрайкой днища и фундаментом. Указанные дефекты учтены в конечно-элементной модели фундаментного кольца резервуара, смоделировано нагружение резервуара водой, в результате расчета определены требуемые значения эквивалентного сечения армирующих элементов.
Результаты проверочного расчета требуемого сопротивления грунта основания и прочности железобетонного фундамента резервуара с дефектами геометрической формы и коррозионными повреждениями бетона и армирующих элементов представлены на рис. 3.
Рис. 3. Расчетные показатели требуемого сопротивления грунта основания, МПа (поз. а) и эквивалентного сечения армирующих стержней фундаментного кольца,
см2/м2: б - нижняя продольная арматура; в - верхняя продольная арматура;
№ 5, 2011
Нефть и газ
77
г - нижняя поперечная арматура; д - верхняя поперечная арматура
Проверка условия прочности заключается в сравнении расчётного и фактического значений сечения арматуры в конструкции по предельным состояниям первой и второй групп: если при заданных характеристиках бетона расчётное значение площади армирующих элементов фундамента на 1 м2 площади сечения фундамента (см. рис. 3, поз. б-д, 0,09-6,05 см2/м2) меньше или равно фактическому (8,4 см2/м2), то прочность фундамента обеспечена. Если фактическое армирование фундамента меньше расчётного, то прочность фундамента при заданном уровне эксплуатационных нагрузок не обеспечивается, эксплуатация такого фундамента запрещается.
По такому же принципу оценивается возможность эксплуатации фундамента по расчетному сопротивлению грунта на уровне подошвы фундамента: в ходе моделирования загру-жения фундамента максимально возможными эксплуатационными нагрузками определяется требуемое значение расчетного сопротивления грунта (см. рис. 3, поз. а), равное в данном случае 12,38 МПа, которое не должно превышать значение, определенное в ходе полевых испытаний грунтов, равное в рассматриваемом случае 25,0 МПа. В противном случае эксплуатация фундамента с заданным уровнем эксплуатационных нагрузок запрещается.
Представленный подход предусматривает возможность учета в созданной модели обнаруженных при обследовании фундамента дефектов, а также изменения эксплуатационных нагрузок, в том числе и подбор их безопасного уровня для фундамента данного резервуара. Расчёт по предложенному алгоритму позволяет определить требуемые значения эквивалентного сечения продольной и поперечной арматуры в бетоне, оценить прочностные свойства железобетонного кольца и определить требуемое значение расчётного сопротивления грунта на уровне подошвы фундамента.
Данный подход может применяться не только в разработке проектов ремонта и реконструкции, но и при проектировании новых резервуаров с кольцевыми фундаментами, для определения необходимого армирования железобетонного кольца и оптимальных размеров фундамента в плане.
Список литературы
1. Сильницкий П. Ф., Тарасенко М. А. Использование программных комплексов при проектировании ремонтов резервуаров //Материалы VII научно-технической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть»: Проблемы трубопроводного транспорта нефти. - Тюмень: Феликс, 2006. - 41-43 С.
2. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. - М.: ОАО «ЦПП», 2011.
3. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. -М.: Официальное издание, 2004.
4. СНИП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. - М.: Издательство стандартов, 1989.
5. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. - М.: Официальное издание, 2003.
6. Тарасенко А. А. Методы ремонта элементов конструкций стальных вертикальных цилиндрических резервуаров после длительной эксплуатации. Ведомственная инструкция / АООТ «Сибнефтепровод». - Тюмень, - 1997.
7. Коновалов П. А., Мангушев Р. А., Сотников С. Н., Землянский А. А., Тарасенко А. А. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований / Научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. - 336 с.
Сведения об авторах
Сильницкий Павел Федорович, аспирант, кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 41-70-25
Тарасенко Михаил Александрович, аспирант, кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 41-70-25
Тарасенко Александр Алексеевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Детали машин», Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 20-07-90
Silnitsky P. F., postgraduate student of the chair «Transport of hydrocarbon recourses», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 41-70-25
Tarasenko M. A., postgraduate student of the chair «Transport of hydrocarbon recourses», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 41-70-25
Tarasenko A. A., Doctor of Technical Sciences, head of the chair «Machine elements», Tyumen State Oil and Gas University, phone: (3452) 20-07-90
78
Нефть и газ
№ 5, 2011
