УДК 624.953:624.046.03

Учет ветровой нагрузки в инженерных оценках устойчивости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров /Егоров Е.А., к.т.н., доц., Федоряка Ю.В. аспирант (ПГАСиА, Украина)/.  

Розглядається стійкість сталевих вертикальних циліндричних резервуарів при дії вітрового навантаження. Приводяться результати виконаних досліджень, надаються рекомендації щодо застосування їх в інженерній практиці.

Рассматривается устойчивость стальных вертикальных цилиндрических резервуаров при действии ветровой нагрузки. Приводятся результаты проведенных исследований, даются рекомендации по использованию их в инженерной практике.

The stability of steel vertical cylindrical tanks at wind load is considered. The results of the fulfilled investigations and the recommendations about using them in design practice are given.

1. ВВЕДЕНИЕ

В практике эксплуатации стальных вертикальных цилиндрических резервуаров - наиболее распространенных нефтехранилищ наземного типа, случаи ярко выраженной потери устойчивости практически не имеют места, если не считать аварий, связанных с грубыми нарушениями режимов эксплуатации. По-видимому, именно этим объясняется тот факт, что в отечественной литературе сравнительно мало места уделяется проблеме устойчивости упомянутых сооружений. То же относится и к нормативным документам, касающимся контроля технического состояния резервуаров, находящихся в эксплуатации [1-3].

Вместе с тем с позиций общих представлений теории оболочек проблема устойчивости должна быть и на самом деле является для резервуаров весьма актуальной, поскольку, с одной стороны, имеется целый комплекс сжимающих нагрузок (собственный вес конструкций, ветер, снег, вакуум), с другой стороны, резервуары рассматриваемого вида представляют собой очень тонкостенные оболочки, устойчивость которых в классическом понимании является очень низкой, и может изменяться в широких пределах в зависимости от качества геометрии.

Нужно также учесть, что в новом нормативном документе [4] существенно увеличены ветровая и снеговая нагрузки. Это создает целый ряд дополнительных проблем для инженерной практики, особенно с позиций оценки технического состояния резервуаров, уже находящихся в эксплуатации.

С учетом всего вышесказанного любые уточнения расчетных оценок устойчивости резервуаров становятся весьма актуальными.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Нами рассматривались и исследовались теоретические аспекты проблемы устойчивости цилиндрических резервуаров при действии ветровой нагрузки.

В инженерной практике при проверке устойчивости ветровую нагрузку принято представлять в виде эквивалентного вакуума , используя коэффициент приведения :

,                                                                         (1)

где  - расчетное значение ветровой нагрузки.

Считая, что коэффициент приведения  должен определяться из условия равной устойчивости резервуаров при действии равномерного давления и ветровой нагрузки, равенство (1) можно представить в виде:

,                                                                        (2)

здесь  - критическое значение равномерного внешнего давления;

 - критическое значение ветрового давления.

В действующих нормах [5]  принимается равным 0.5 во всех случаях, независимо от параметров резервуаров и действительного распределения ветровой нагрузки. Вместе с тем представляется не совсем правомерным считать  константой, поскольку, во-первых, на основе теоретических представлений должна существовать зависимость критической ветровой нагрузки от того, в какой степени ширина зоны сжатия цилиндрической стенки ветровой нагрузкой резонирует с длиной волны собственной формы потери устойчивости, во-вторых, приведение любого распределения к равномерному безусловно должно зависеть от конкретного вида этого распределения, а характер ветрового давления в каждом конкретном случае зависит от целого ряда факторов (например, от взаимного расположения резервуаров) и может быть существенно различным, см. [6]. Кроме того, в [5] расчетные формулы проверки устойчивости записаны только для оболочек с шарнирно закрепленными краями, что не всегда соответствует конструктивному решению резервуаров, равно как и любых других конструкций оболочечного типа.

В Еврокоде [7] значения  не являются константой и определяются по формуле:

,                                                              (3)

где  - коэффициент, зависящий от условий закрепления краев цилиндрической стенки;

 - безразмерный параметр геометрии оболочки (цилиндрической стенки);

 - длина, радиус и толщина оболочки.

В (3) значения  определяются в зависимости от основных параметров цилиндрической оболочки, однако, по-прежнему, никак не связываются с конкретным законом распределения ветровой нагрузки, т.е., они определены для какого-то фиксированного распределения.

Учитывая указанные выше обстоятельства, была поставлена задача определить критическую нагрузку для резервуаров с различными геометрическими параметрами при действии фактического (без приведения к равномерному) давления ветрового типа, которое в принципе может изменяться по любому, характерному для ветровой нагрузки, закону.

3. СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились по результатам решения линейной (бифуркационной) и нелинейной (задача определения предельной нагрузки) задач устойчивости для оболочек, параметры которых соответствовали диапазону параметров типовых решений стальных вертикальных цилиндрических резервуаров: ; . Задача решалась для двух вариантов условий закрепления торцов оболочек:

шарнирного опирания и жесткой заделки. Решения осуществлялись с использованием программного комплекса «Лира 9.2». В данной статье рассматриваются некоторые результаты, полученные для ветрового давления, распределение которого принято согласно действующим строительным нормам [4].

В табл. 1 приведены значения критических  (линейное решение) и предельных  (нелинейное решение) значений ветрового давления, а также критические значения равномерного внешнего давления , полученные численным методом.

Таблица 1

Значения критических параметров ветрового давления  и , кПа

r / t	z	Шарнир			Заделка
500	1000	25,09	33,71	32,66	24,95	34,36	33,48
	2000	17,41	24,58	23,36	35,32	46,28	43,70
	3000	14,10	20,48	18,89	20,40	28,94	28,88
1500	1000	2,84	3,44	3,18	4,07	4,82	4,57
	2000	1,97	2,46	2,24	2,85	3,48	3,24
	3000	1,58	2,03	1,86	2,31	2,88	2,66
3000	1000	0,71	0,81	0,78	1,01	1,13	1,10
	2000	0,49	0,58	0,55	0,72	0,83	0,81
	3000	0,40	0,48	0,44	0,58	0,68	0,65

Из данных таблицы следует, что величина  всегда больше . Сравнивая результаты линейного и нелинейного решений, можно отметить, что различия критических  и предельных  значений ветрового давления не превышают 5-10%. При этом, во всех случаях более низкие значения критической нагрузки для рассматриваемых оболочек дает нелинейный расчет.

Полученные значения критических и предельных нагрузок позволили определить коэффициент приведения . Графики зависимости  от безразмерного параметра геометрии  приведены на рис. 1.

Рис. 1. Значения коэффициента , полученные для оболочек с параметрами:

а) ; б) ; в) .

а)

б)

в)

Вид приведенных графиков (рис. 1, б, в) отличается от графиков, приведенных в [8]. Это вызвано тем, что при определении  по (2) значения  в [8] вычислялись по формуле Папковича, а здесь – по результатам машинного счета.

Из графиков видно, что для рассматриваемых оболочек коэффициент  изменяется в диапазоне 0.72¸0.92, и действительно зависит от основных геометрических параметров цилиндрической стенки резервуаров. Установлено, что наибольшее влияние на значения указанного коэффициента имеет отношение . Так, для оболочек с  значения  изменяются в диапазоне ; для оболочек с  - ; а при  - . Вместе с тем значения  зависят и от отношения .

Сравнение полученных значений  со значениями по (3) показывает, что различия между ними составляют до 20%, как в большую, так и в меньшую сторону.

Сопоставляя полученные значения со значением , принятым в [5], нужно учесть, что в [5] при определении  вводится понижающий коэффициент 0.6, учитывающий возможные погрешности геометрической формы оболочек. Такую же корректировку можно применить для полученных здесь результатов. Откорректированные значения коэффициента приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициента  для оболочек с параметрами ,

Проведенные исследования позволяют в целом ряде случаев в существенной мере уточнить устойчивость стальных резервуаров. Это неоднократно использовалось нами при проведении диагностических оценок технического состояния стальных резервуаров. На основе таких оценок выявлялись имеющиеся резервы устойчивости либо делался вывод о необходимости усиления конструктивных элементов резервуаров. На рис. 2 показано усиление резервуара объемом 10 тыс. м³, выполненное по нашим рекомендациям

Рис. 2. Усиление резервуара объемом 10 тыс. м³.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Таким образом, выполненные исследования показали, что коэффициент приведения  при учете ветровой нагрузки в задачах устойчивости зависит от геометрических параметров резервуаров.

При проведении инженерных расчетов стальных резервуаров на устойчивость рекомендуется применять коэффициент , значения которого приведены в табл. 2. Использование значений , полученных в данной работе, во многих случаях позволяет существенно уточнить расчетные оценки.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Правила технической эксплуатации резервуаров и инструкции по их ремонту. Госкомнефтепродукт СССР, утверждено 26.12.1986 г.

2. Руководство по обследованию и дефектоскопии стальных вертикальных резервуаров (РД-95). Госкомнефтепродукт России. – Астрахань, 1995. – 145 с..

3. Инструкция по техническому надзору, методам ревизии и отбраковке трубчатых печей, резервуаров, сосудов и аппаратов нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.- ИТН-93. – Волгоград, 1995. – 189 с.

4. ДБН В.1.2:2006 Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования / Минстрой Украины. – Киев, 2006. – 60 с.

5. ВБН В 2.2-58.2-94. Резервуари вертикальні сталеві для зберігання нафти і нафтопродуктів з тиском насичених парів не вище 93,3 кПа / Державний Комітет України по нафті і газу. – Київ, 1994. – 95 с.

6. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Аеродинамічні дослідження тандему з двох колових циліндрів // Теорія і практика будівництва: Вісник НУ „ЛП”.-Львів: НУ „ЛП”.- 2002.-№441.-С.85-94.

7. CEN/TC 250/SC3/PT4 Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-6: General Rules: Supplementary Rules for Shell Structures. – Brussels: Centr. Secr., 1999. – 83 p.

8. Е.А. Егоров, Ю.В. Федоряка Исследование вопросов устойчивости стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Металлические конструкции. – 2006. – Т. 9, №1. – с.89-97.