Приложение Е. Расчет и проектирование сейсмостойких резервуаров для хранения продукции

Е.1 Содержание и назначение

В данном приложении приведен рекомендуемый минимальный объем основных требований, которые могут быть предъявлены заказчиком к конструкциям резервуаров, подвергающихся сейсмическим нагрузкам. Эти требования отражают содержание принятых и применяемых на правке положений, относящихся к резервуарам с плоским днищем. Вместе с тем, заказчиком или уполномоченными инстанциями может быть определен иной состав и порядок выбора применяемых значений коэффициентов или введения дополнительных требований. Любое отступление от требований, содержащихся в данном приложении, должно быть согласовано между заказчиком и изготовителем.

Примечание: Обоснование этих требований, а также формулы для построения расчетных кривых, приведенных ка рисунках с Е-2 по Е-5, и данные для количественной оценки других факторов сейсмического воздействия включены в статью Р. С. Возняка и В. В. Метчелла (R. S. Wozniak & W. W Mitchell) «Основы расчета и проектирования сейсмостойких сварных стальных резервуаров для хранения нефти».

Е.2 Общие положения

В процессе проектирования рассматриваются два типа реакций резервуара и его содержимого:

• Характеризующаяся относительно высокой частотой усиленная реакция корпуса и крыши резервуара, а также находящегося в нем объема жидкости, движущейся вместе с корпусом, вызванная горизонтальным движением грунта.
• Характеризующаяся относительно низкой частотой усиленная реакция жидкости, содержащейся в резервуаре и движущейся в соответствии с режимом колебаний основания.

В процессе проектирования необходимо определить гидродинамическую массу, связанную с каждым режимом, а также горизонтальную силу и опрокидывающий момент, действующие на корпус в результате реакции масс на горизонтальные колебания грунта. Необходимо определить меры, направленные на обеспечение устойчивости корпуса резервуара по отношению к опрокидыванию и на предотвращение деформации корпуса в результате продольного сжатия.

Это приложение не предполагает мер по определению увеличенного кольцевого усилия, которое может быть вызвано колебаниями при землетрясении. Увеличенное кольцевое усилие, правильно рассчитанное с учетом коэффициентов горизонтальных сил, приведенных в данном приложении, не должно повысить окружные напряжения выше принятого уровня напряжений, который может быть использован для проектирования корпуса сейсмостойкого резервуара.

Е.3 Расчетные нагрузки

Е.3.1 Опрокидывающий момент

Примечание: В п. Е.3.1 есть момент, приложенный только опрокидывающий момент, воздействующий на днище резервуара. Кроме того, в результате горизонтального смещения содержимого резервуара на основание будет действовать и дополнительный опрокидывающий момент; может оказаться необходимым учесть этот дополнительный момент при проектировании некоторых типов оснований, например, сплошных бетонных фундаментов, опирающихся на сваи.

Опрокидывающий момент, обусловленный силами сейсмического воздействия, приложенными к днищу, определяется следующим образом:

M = Zl(C₁W_sX_s +C₁W_rH_t + C₁W_lH_l + C₂W₂X₂),

где:

М — опрокидывающий момент, приложенный к днищу резервуара, в футо-фунтах;

Z — Показатель сейсмичности зоны (горизонтальное сейсмическое ускорение), определяемый заказчиком или уполномоченным государственным органом. Сейсмическая зона может быть определена с помощью карты сейсмического районирования (рис. Е-1), таблицы сейсмических зон для областей за пределами Соединенных Штатов (табл. Е-1) или Приложения к Национальному Строительному кодексу Канады. Показатель сейсмической зоны Z может быть определен по табл. Е- 2,

I — Степень значимости.

I = 1 для всех резервуаров, если больший показатель не задан заказчиком. Показатель I не должен превышать 1,25, причем эта максимальная величина должна применяться только к резервуарам, которые должны обеспечивать аварийное снабжение после землетрясений или к резервуарам, содержащим ядовитые или взрывчатые вещества и расположенным в областях, где аварийная утечка продукта может рассматриваться как опасная для населения.

C₁, С₂ — коэффициенты горизонтальных сип при землетрясении, определяемые в соответствии с указаниями, приведенными в разделе Е.З.З.

W_s — общий вес корпуса резервуара в фунтах.

X_s — высота от днища корпуса резервуара до центра тяжести корпуса, в футах.

W_r — общий вес крыши резервуара (закрепленной или плавающей) плюс часть снеговой нагрузки, если таковая имеется, в фунтах (определяется заказчиком).

H_t — полная высота корпуса резервуара, в футах.

W_l — вес эффективной части содержимого резервуара, движущейся вместе с корпусом, который определяется в соответствии с п. Е.3.2.1, в фунтах.

X_l — высота от днища резервуара до точки приложения равнодействующей горюо стальной сейсмической силы, действующей на массу W_l , определенная в соответствие с разделом Е.3.2.2, в футах,

W₂ — вес эффективной массы содержимого резервуара, колеблющейся в первой (раскачивающей) моде, определенный в соответствии с разделом Е.3.2.1, в фунтах.

Х₂ — высота от днища корпуса резервуара до точки приложения равнодействующей горизонтальной силы, при сейсмических колебаниях на жидкость весом определенная в соответствии с п. Е.3.2.2, в футах.

Рисунок Е-1. Сейсмические зоны

Рисунок Е-1. Продолжение

Таблица Е-1. Таблица сейсмического районирования для областей, расположенных за пределами Соединенных Штатов.

Е.3.2 Эффективный вес содержимого резервуара

Е.3.2.1 Значения эффективного веса W₁ и W₂ могут быть определены по значению отношений D/H, приведенных на рис. Е-2, путем умножения W_T на отношения W₁/W_T и W₂/W_T соответственно.

где:

W_Т— полный вес содержимого резервуара, в фунтах (плотность продукции должна быть определена заказчиком);

D — номинальный диаметр резервуара, в футах (см.  п. 3.6.1.1, примечание I);

Н — максимальный расчетный уровень жидкости, в футах (см. п. 3.6.3.2).

Рисунок Е-2. Соотношения показателей эффективного веса

Е.3.2.2 Вертикальные размеры X₁ и Х₂ , отсчитанные от днища корпуса резервуара до точек приложения равнодействующих горизонтальных сил, действующих при сейсмических колебаниях на объемы жидкости весом W₁ и W₂ , могут быть определены по значению отношения D/H путем умножения Н на отношения X₁(Н и Х₂) Н , соответственно, приведенные из рис. Е-3.

Е.З.2.З Построение кривых на рис. Е-2 н Е-3 основано на преобразовании уравнений, представленных в Техническом информационном документе 7024 Управления по техническим исследованиям и разработкам США (ERDA). Значения W₁, W₂, X₁ и X₁ могут быть определены с помощью других аналитических методов, основанных на учете динамических характеристик резервуара.

Таблица Е-2 — Показатели классификации сейсмических зон (горизонтальное ускорение)

Е.З.З Коэффициенты для расчета горизонтальных сил

Е.3.3.1 Коэффициент С₁ для расчета горизонтальной силы должен приниматься равным 0.60 за исключением тех случаев, когда произведения ZLС₁ и ZL С₂ определены так, как описано в разделе Е.З.З.3.

Е.З.З.2 Коэффициент С₂ определяется как функция естественного периода колебаний жидкости T при первоначальном режиме и состояния грунта в месте расположения резервуара, если этот коэффициент не определяется методом, приведенным в разделе Е.З.З.З. Если Т меньше или равен 4,5 то:

С₂ = 0,75S / T.

Если T больше 4,5, то:

C₂ = 3,375S / T².

где:

S- коэффициент, соответствующий месту расположения (табл. Е-3)

Т- естественный период первой моды колебания жидкости при первоначальном режиме, в секундах.

T можно определить по следующей формуле:

T = k(D^0,5), k — коэффициент, получаемый в зависимости от значения D/H.

Рисунок Е-3. Точки приложения равнодействующих сил, вызванных сейсмическими колебаниями

Рисунок Е-4. Коэффициент k

Е.3.3.3 По согласованию между заказчиком и изготовителем, горизонтальная сила, определяемая произведениями ZIC₁ и ZIC2 может быть также найдена, исходя из диапазона значений реакций, установленных дня конкретного места расположения резервуара и предоставленных заказчиком, однако, горизонтальная сала ZIC₁ не может быть меньше определенной в соответствии с разделами Е.3.1 и

Е.З.З.1. Диапазоны значений реакций для конкретного места расположения должны быть установлены с учетом активных сейсмических сдвигов в пределах данного региона, типов сдвигов, интенсивности колебаний при землетрясении, которое может генерироваться сдвигом, степени сейсмической активности района, близости местоположения к возможным очагам землетрясений, затухания движений земной хоры между зоной сдвига и местоположением установленного резервуара, а также состояния грунта в месте расположения резервуара. Диапазон значений показателя ZIC₁ должен быть установлен для коэффициента затухания, равного 2 процентам от критической величины. Допускается применять масштабирование при определении диапазона значений реакций при учете резервной вместимости резервуара. Приемлемая резервная вместимость должна быть указана заказчиком и может быть определена путем анализа данных испытаний, полевых наблюдений и по оценке пластичности конструкции.

Диапазон значений характеристики ZIC₂ должен соответствовать диапазону значений показателя ZIC_j с учетом применения коэффициента затухания, составляющего 0,5 процента от критического. При определении показателя ZIC₁ в этом диапазоне нужно учитывать период колебаний резервуара с его содержимым, если только не используется максимальная величина ускорения.

Таблица Е-3. Коэффициенты, соответствующие местоположению резервуара (см. примечание)

Примечание: Коэффициент, соответствующий местоположению, должен устанавливаться на основе хорошо обоснованных инженерно-геологических данных. В местах, где свойства грунта известны недостаточно детально для того, чтобы определить тип разреза, следует относить его к типу S₃. Тип разреза S₄ следует устанавливать лишь в том случае, если органы строительного надзора установили возможность присутствия такого типа разреза (S₄) в данном месте, или если такой тип сечения установлен по инженерно-геологическим данным.

Е.4 Устойчивость к опрокидыванию

Е.4.1 Сопротивление воздействий опрокидывающего момента, действующего на уровне днища резервуара, может обеспечиваться весом корпуса резервуара и анкерными креплениями корпуса, а для резервуаров без анкерного крепления, весом части жидкости, содержащейся в резервуаре и примыкающей к его корпусу. Для резервуаров без анкерных креплений часть содержимого, которая может быть учтена как стабилизирующая, зависит от ширины плиты днища, расположенной под корпусом и возвышающейся над фундаментом. Эта часть может быть определена следующим образом:

W_L = 7,9 t_b √ F_by GH.

Однако значение W_L , не должно превышать 1.25GHD, где:

W_L — максимальный вес той части содержимого резервуара, которая может учитываться как достаточная для его стабилизации при воздействии опрокидывающего момента корпуса, в фунтах на фут окружности корпуса;

t_b — толщина плиты днища, расположенной под корпусом, в дюймах;

F_by — минимальный установленный предел текучести материала плиты днища под корпусом, в фунтах на квадратный дюйм;

G — определяемый заказчиком расчетная плотность жидкости, которую предполагается хранить в резервуаре.

Е.4.2 Толщина плиты днища под корпусом, t_b,не должна превышать наибольшей из следующих величии: толщины нижней секции корпуса или 1/4 дюйма. Там, где плита днища под корпусом толще остальной части днища, толщина более толстой плиты расположенной под днищем плиты в фугах, измеренная вдоль радиуса от корпуса внутрь, должна быть больше или равна 0,0274w_L/GH.

Е.5 Сжатие корпуса

Е.5.1 Резервуары, установленные без анкерных креплений

Для резервуаров без анкерных креплений максимальная продольная сжимающая сила у днища корпуса может быть определена следующим образом:

когда M/[D² (w₁ + w_L] меньше или равно 0,785,

b = w₁ + 1,273M/D²

Когда M/[D² (w₁ + w_L] больше чем 0,785, но меньше или равно 1,5, значение b может быть рассчитано с использованием приведенного ниже выражения для параметра, получаемого по графику Е-5:

b + w_t / W_r+ W_L.

Когда M/[D² (w₁ + w_L] больше, чем 1,5, но меньше или равно 1,57, то можно воспользоваться следующей зависимостью:

b + w_t / W_r+ W_L = 1,490 / [1 — 0,637M / (W_r+ W_L)]^0,5

Где:

b — максимальная продольная сжимающая сила, действующая на днище корпуса, в фунтах на фут длины окружности корпуса;

W_t— вес корпуса резервуара и части фиксированной крышки, опирающейся на корпус, в фунтах на фут длины окружности корпуса.

Когда M/[D² (w₁ + w_L] больше, чем 1,57 или когда b/12t больше, чем F_K (см. Е.5.3), резервуар неустойчив. В этом случае необходимо предпринять одно из следующих действий:

1. Увеличить толщину плиты днища под корпусом, чтобы увеличить , не превышая ограничений, приведенных в разделах Е.4.1 и Е.4.2.
2. Увеличить толщину корпуса, t.
3. Изменить пропорции резервуара, увеличив диаметр и уменьшив высоту.
4. Использовать анкерные крепления в соответствии с разделом Е.6.

Рисунок Е-5. Сжимающая сила b

Примечание. Данный график может использоваться для расчета b в тех случаях, когда M/[D²(W_I + W_L)] больше, чем 0,785, но меньше или равно 1,5 (см. п. 5.1)

Е.5.2 Резервуары, установленные с армированием анкерных креплении

Для резервуаров, установленных с применением анкерных креплений, максимальная продольная сжимающая сила в основании может быть определена следующим образом:

b = w_t + 1,273M / D²

Е.5.3 Максимально допустимое сжатие корпуса

Максимальное продольное напряжение сжатия корпуса b/12t не должно превышать максимально допустимого напряжения Fa, определяемого по следующим формулам с учетом давления заполняющей резервуар жидкости. Когда GHD²/t² больше или равно 10⁶:

F_a = 10⁶t/d.

Когда  GHD²/t²  меньше, чем 10⁶:

F_a = 10⁶ t / 2,5D + 600√GH.

Однако значение F_a не должно превышать 0,5F_ty. Где:

t- толщина нижней секции корпуса (исключая запас на коррозию) в дюймах

F_a — максимально допустимое продольное напряжение сжатия в корпусе, в фунтах на квадратный дюйм.

F_ty — минимальное установленное ТУ значение предела текучести материала нижней секции корпуса, в фунтах на квадратный дюйм.

E.5.4 Верхние секторы корпуса

Если толщина нижней секции корпуса, рассчитанная на обеспечение устойчивости резервуара при воздействии опрокидывающего момента, связанного с сейсмическими явлениями, превышает толщину, определяемую гидростатическим давлением, то рассчитанные по гидростатическому давлению величины должны быть увеличены в той же пропорции, если не проведено специальное исследование опрокидывающего момента и соответствующих напряжений, возникающих у основания каждой верхней секции корпуса.

Е.6 Анкеровные крепления резервуаров

Е.6.1 Минимальная анкеровка

При установке анкерных креплений они должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить следующее минимальное удельное сопротивление на фут окружности корпуса:

1,273М / D²— W_t

Напряжения в точках присоединения анкерных устройств к корпусу резервуара, должны быть исследованы (порядок расчета см. в документе Е-I Американского института черной металлургии (AISI), том II, часть VII **Установочные подкладки анкерных болтов»)

E.6.2 Конструктивные нормативы, принимаемые во внимание при проектировании

Е.6.2.1 Если резервуар с анкеровкой спроектирован неверно, его корпус подвергается опасности разрыва. Следует принять меры, чтобы прочность креплений анкеров была больше, чем минимальный установленный техническими условиями предел текучести материала анкера, чтобы деформация анкера произошла прежде, чем разрушится крепление. Опыт показывает, что правильно и рационально конструктивно выполненные резервуары с анкеровкой имеют больший запас прочности при избыточных сейсмических нагрузках, чем резервуары без анкеровки. В дополнение к требованиям раздела Е.6.1, проект анкеровки должен принимать во внимание требования разделов Е.6.2.2 — E.6.2.7.

Е.6.2.2 Расстояние между анкерами не должно превышать 10 футов. Для резервуаров менее 50 футов в диаметре расстояние между анкерами не должно превышать б футов. При использовании анкерных болтов они должны иметь минимальный диаметр в 1 дюйм, исключая любые допуски на коррозию.

Е.6.2.3 Максимально допустимые напряжения для элементов анкерных креплений не должны превышать следующих величин:

1. Для анкеров, рассчитанных только не сейсмические нагрузки или при их действии одновременно с другими нагрузками, допустимая прочность на растяжение должна составлять 0.80 предела текучести (0.60 от предела текучести, умноженного на 1.33).
2. Для других деталей — 133 процента по отношению к величине допустимого напряжения в соответствии с разделом 3.10.3.
3. Максимально допустимое проектное напряжение в материале корпуса вблизи крепления анкера не должно превышать 25000 фунтов на квадратный дюйм, причем без увеличения в расчете на сейсмические нагрузки.

Если суммарная нагрузка является определяющей, этн значения напряжений должны использоваться при анализе сейсмических нагрузок в сочетании с другими нагрузками.

Е.6.2.4 Анкерные крепления и элементы их присоединения к корпусу должны быть рассчитаны на нагрузку, равную минимальному пределу текучести по техническим условиям, умноженному на фактическую минимальную площадь поперечного сечения анкера.

Е.6.2.5 Прочность заделки анкера в фундамент должна быть достаточной для того, чтобы мог быть достигнут минимальный предел текучести анкера, соответствующего техническим условиям. Чтобы затруднить выдергивание анкера, можно снабдить его крюком или концевой плитой.

Е.6.2.6 Заказчик должен установить все допуски на коррозию, которые должны быть добавлены к размерам анкера. Расчетные нагрузки для крепления анкера на корпус и его заделки в фундамент должны определяться для имеющихся анкеров с учетом допусков на коррозию.

Е.6.2.7 По требованию заказчика анкеры должны проектироваться с расчетом на температурное расширение резервуара в результате нагрева корпуса до температуры выше 200 °F.

Е.7 Система трубопроводов

Всем трубопроводным системам, присоединенным к корпусу или днищу резервуара, должна быть придана необходимая гибкость в вертикальном направлении. На резервуарах без анкеровки, подверженных поднятиям днища, трубопроводы, подсоединенные к днищу, должны свободно подниматься вместе с днищем, или должны быть расположены так, чтобы расстояние по горизонтали от корпуса до края соединительной арматуры было равно ширине зажима на днище, в соответствии с расчетом по разделу Е.4.2, плюс 12 дюймов.

Е.8 Дополнительные требования

Е.8.1 Заказчик должен установить запас высоты корпуса над уровнем жидкости, требуемый для уменьшения или предотвращения переполнения н повреждений крышки и верхней части корпуса, что может быть вызвано колебаниями жидкости, содержащейся в резервуаре.

Е.8.2 Основания опорных столбов крышки должны быть закреплены, чтобы предотвратить их горизонтальное движение во время землетрясений. По требованию заказчика столбы должны быть рассчитаны на силы, вызываемые раскачиванием жидкого содержимого резервуара.

E.8.3 Дополнительно действующие на корпус вертикальные силы, вызванные опрокидывающим моментом при сейсмических явлениях, должны быть учтены при проектировании фундамента резервуара.