Расчет конструкций резервуара 3 часть

9.6. Расчет сейсмостойких резервуаров

9.6.1. Общие положения

9.6.1.1. Настоящий раздел содержит требования к расчету и проектированию вертикальных цилиндрических стальных резервуаров, эксплуатация которых предусматривается в районах с сейсмичностью выше 6 баллов по шкале MSK-64. Для районов с сейсмичностью 6 баллов и ниже сейсмические нагрузки учитывать не требуется.

9.6.1.2. Полная нагрузка со стороны продукта на стенку и днище резервуара в условиях землетрясения включает:

— гидростатическую нагрузку и нагрузку от действия избыточного давления;

— импульсивную (инерционную) составляющую гидродинамического давления;

— конвективную (кинематическую) составляющую гидродинамического давления;

— составляющую сейсмической нагрузки от вертикальных колебаний грунта.

Импульсивная составляющая давления возникает от части продукта, движущегося в условиях землетрясения совместно со стенкой резервуара. Колебания жидкости внутри резервуара создают конвективное давление и приводят к появлению волн на поверхности продукта. Вертикальные колебания основания резервуара также индуцируют дополнительную нагрузку на его стенку.

9.6.1.3. Сочетания перечисленных нагрузок, а также нагрузок от веса металлоконструкций, оборудования, теплоизоляции и снега (при наличии стационарной крыши) следует производить с учетом коэффициентов сочетаний нагрузок, определяемых в соответствии со СНиП 2.01.07-85*, СНиП II-7-81*.

9.6.1.4. Проверка сейсмостойкости резервуара предусматривает комплекс расчетов, последовательность которых приведена на рис 9.8.

Рис. 9.8. Последовательность расчетов сейсмостойкости резервуара

При этом проверка резервуара на сдвиг при землетрясении до 9 баллов включительно не требуется.

9.6.1.5. Сейсмостойкость резервуара следует считать обеспеченной при одновременном выполнении следующих условий:

а) резервуар не опрокидывается при землетрясении (критерием опрокидывания является предельное состояние, при котором на внешнем радиусе приподнятой части днища возникает полный пластический шарнир, рис. 9.9);

Рис. 9.9. Расчетная схема резервуара в условиях землетрясения

б) обеспечена устойчивость нижнего пояса стенки от действия продольно-поперечной нагрузки;

в) обеспечены условия прочности для всех несущих элементов резервуара.

9.6.1.6. Если условия 9.6.1.5а или 9.6.1.5б не выполняются, требуется установка анкеров, количество и размеры которых определяются расчетом.

9.6.2. Параметры сейсмического воздействия

9.6.2.1. Параметры сейсмического воздействия выдаются Заказчиком на основе данных сейсмического микрорайонирования площадки строительства. В районах, для которых отсутствуют карты сейсмического микрорайонирования, допускается использовать комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97, или СНиП II-7-81*.

9.6.2.2. Задание на проектирование должно включать следующие параметры сейсмического воздействия:

— сейсмичность площадки строительства (баллы по шкале MSK-64);

— категория грунта по сейсмическим свойствам (таблица 1* СНиП II-7-81);

— коэффициент вертикального сейсмического ускорения Av.

9.6.2.3. Коэффициент горизонтального сейсмического ускорения составляет Аh = 0,1, 0,2, 0,4 при землетрясении интенсивностью 7, 8, 9 баллов соответственно. Для грунтов категорий сейсмичности I или III параметр Ah задается по таблице 1* СНиП II-7-81.

9.6.2.4. Коэффициент вертикального сейсмического ускорения назначается на основе данных сейсмического микрорайонирования. Если данные отсутствуют, допускается принимать Av = 0,5Ah.

9.6.2.5. В разделе 9.6 принята система безразмерных коэффициентов, представленная в таблицах 9.8, 9.9.

Таблица 9.8

Таблица 9.9

9.6.3. Расчетные нагрузки

Расчет всех компонент сейсмических нагрузок производится на основе спектрального метода с учетом коэффициентов динамичности и демпфирования, соответствующих основному тону колебаний резервуара и продукта.

9.6.3.1. Опрокидывающий момент определяется по формуле:

где

9.6.3.2. Допускается уменьшение значения коэффициента βi, приведенного в таблице 9.8, если период основного тона импульсивных колебаний продукта получен расчетным путем и использованы соответствующие формулы п. 2.6* СНиП II-7-81*.

9.6.3.3. Нагрузки от продукта, действующие на стенку и днище резервуара, определяются по формулам:

где

9.6.3.4. Период основного тона конвективных колебаний продукта определяется соотношением:

9.6.3.5. Коэффициент динамичности для конвективных колебаний продукта βс определяется в зависимости от периода Тс следующим образом:

а) по формулам п. 2.6* СНиП II-7-81*, если 0 ≤ Тс ≤ Т0 = 2 с;

б) βс = (Т₀/Т_с)2 β0, если Тc > Т0,

где

β0 = β(Т₀) — значение коэффициента динамичности, полученное по формулам п. 2.6* СНиП II-7-81* на границе области низкочастотных сейсмических колебаний продукта при Т₀ = 2 с.

9.6.4. Проверка сейсмостойкости резервуара

9.6.4.1. Резервуар является устойчивым к опрокидыванию, если момент от вертикальных удерживающих сил превышает момент от инерционных горизонтальных сил.

9.6.4.2. Опрокидывание резервуара не происходит, если выполняется неравенство:

где

tb, Δtcb, Δtmb — соответственно толщина, припуск на коррозию и минусовой допуск на прокат окраечных (если предусмотрено — кольцевых) листов днища.

9.6.4.3. Устойчивость стенки проверяется от действия продольно-поперечной нагрузки, вызывающей ее изгиб и вертикальное сжатие в процессе опрокидывания резервуара с продуктом. За предельное состояние принимается фибровая текучесть стенки (с учетом коэффициентов γс и γn), проверяемая в вертикальном сечении оболочки. Несущая способность нижнего пояса стенки с расчетным сопротивлением по пределу текучести R1y и номинальной толщиной нижнего пояса t₁ обеспечена, если выполняется условие:

в котором расчетные нагрузки по контуру стенки в основании резервуара qmax вычисляются в п. 9.6.6.1, а допускаемые сжимающие напряжения в этом поясе определяются выражением:

9.6.4.4. В случае нарушения требований п.п. 9.6.4.2, 9.6.4.3, следует выполнить одно из следующих мероприятий или их комбинацию:

а) увеличить толщину окраечного листа днища;

б) увеличить толщину первого пояса стенки t₁;

в) путем изменения размеров резервуара уменьшить величину отношения H/D;

г) применить анкеры, которые назначаются в соответствии с указаниями п. 9.6.7.

9.6.4.5. Толщины каждого i-гo пояса стенки ti определяются из условия прочности по кольцевым усилиям цилиндрической оболочки. С учетом сейсмических нагрузок p0(z,φ), действующих на стенку в точке с координатами zi = H — Hi, φ = 0, имеем:

где

Riy — расчетное сопротивление по пределу текучести i-гo пояса стенки.

9.6.5. Максимальные вертикальные усилия сжатия в стенке резервуара

9.6.5.1. Вертикальные сжимающие усилия в стенке определяются с учетом возможного отрыва части днища от основания. При вычислении удерживающих сил учитывается вес продукта, расположенного над приподнятым участком днища.

9.6.5.2. Максимальные вертикальные усилия сжатия в нижнем поясе стенки резервуара следует определять по формулам:

9.6.6. Нагрузки на основание и фундамент и размеры окрайки днища в условиях сейсмического воздействия

9.6.6.1. Вертикальные расчетные нагрузки, действующие по контуру стенки резервуара в процессе землетрясения, вычисляются по формулам:

а) если требуется установка анкеров

б) если анкеры не требуются

9.6.6.2. Максимальная и минимальная вертикальные расчетные нагрузки на основание под центральной частью днища резервуара в процессе землетрясения вычисляются по формуле:

где знаки плюс и минус соответствуют максимальному и минимальному значению давления в диаметрально противоположных точках днища, расположенных по оси сейсмического воздействия.

9.6.6.3. Горизонтальная сдвигающая сила, передаваемая от резервуара на фундамент при землетрясении, вычисляется по формуле:

где

9.6.6.4. Минимальная требуемая ширина окрайки днища в процессе землетрясения (рис. 9.9) определяется соотношением:

Окончательно ширина окрайки днища назначается как большая из величин, полученных по формулам п. 8.3.6 и п. 9.6.6.4.

9.6.7. Требования к установке анкеров

9.6.7.1. Если требуется установка анкеров (см. п. 9.6.4.4 г), то расчетное усилие в одном анкерном болте определяется по формуле:

Na = (1,2 pπr2 + 4Ms/Da — Gs* — Gr*)/na,

причем значения весовых характеристик Gs*, Gr* принимаются за вычетом веса откорродировавшего металла и без учета снеговой нагрузки.

9.6.7.2. Количество анкерных болтов, устанавливаемых по периметру резервуара, определяется конструктивно. При этом минимальная расчетная площадь поперечного сечения нетто анкерного болта составляет:

Aba = Na/Rba,

где расчетное сопротивление анкерных болтов Rba назначается на основе требований раздела 3 СНиП II-23-81*. Номинальный диаметр резьбы болта следует принимать в соответствии с ГОСТ 24379.0.

9.6.7.3. Назначение размеров конструктивных элементов анкерных стульчиков следует производить в соответствии с требованиями СНиП II-23-81*. Запас прочности конструктивных элементов анкерного стульчика должен быть выше запаса прочности анкерного болта.

9.6.8. Максимальный уровень наполнения резервуара

9.6.8.1. Высота волны на поверхности продукта определяется по формуле:

dmax = 0,84βcrAh.

9.6.8.2. Максимальный уровень наполнения резервуара Н должен назначаться с учетом высоты волны на поверхности продукта в процессе землетрясения. При этом следует обеспечить выполнение условия:

Н + ΔН + d_max < Нs.

9.6.9. Пример расчета

В Приложении П.7 содержится пример расчета резервуара объемом 2000 м³.

9.7. Защита резервуаров от стихийного воздействия водного потока

Для резервуаров, возводимых в прибрежных зонах рек, морей и океанов, существует опасность воздействия водных потоков, вызванных паводковыми разливами рек, прорывом плотин и дамб, цунами, нагоном воды из морей в устья рек и т.д. При этом возможны сдвиг и опрокидывание резервуаров, расположенных в зонах затопления. Приложение П.8 содержит рекомендации по защите резервуаров от указанного вида стихийного воздействия и включает комплекс мероприятий, проведение которых целесообразно на стадии проектирования и в процессе эксплуатации резервуаров.