Расчет и проектирование резервуара для хранения нефтепродуктов

 

1.3. Расчет конструктивных элементов  щитов покрытия

 

Расчет конструкции покрытия производят на два вида нагрузок:

- нагрузки, направленные внутрь резервуара (собственный вес, вакуум, теплоизоляция, снег);

- нагрузка, направленная изнутри резервуара – избыточное давление (испарение паров жидкости).

1. Определим нормативную  нагрузку, создаваемую листами

          настила qл , Н/м2, по формуле

,                                                                                             (12)

     где tл - толщина листа настила, м, tл = 0,0035 ;   

           - плотность стали, кг/м3, = 7850;

 Н/м2

2) Определим нормативную нагрузку от слоя утеплителя qут , Н/м2,  по формуле  

,                                                                                              (13)                                                                                                    

      где  tут - толщина  листа настила, м, tут = 0,1 ;   

            - плотность утеплителя, кг/м3, = 350;

           Н/м2

3) Нормативная нагрузка снегового покрова

   Нормативную снеговую нагрузку принимаем по СНиП 2.01.07-85*. «Нагрузки и воздействия». Город Нарьян-Мар находится в V снеговом районе.

Рассчитаем  нормативную снеговую нагрузку , Н/м2, по формуле

,                                                                                              (14)

где - расчетное значение веса снег покрова, Н/м2, =3200;

-коэффициент характеризующий возможный  снос, =0,85;

-коэф снижения снеговой нагрузки от изоляции, =1;

-коэффициент перехода  веса  снегового покрова с крыши, =1,01;

=2720 Н/м2

4) Определение расчетных нагрузок 

Нормативная нагрузка от балок принимается равной 300 Н/м2.

Расчетные нагрузки g, Н/м2,определяем по формуле

,                                                                                                              (15)   

где γf  - коэффициент надежности по нагрузке.

Результаты расчета заносим в таблицу 2

 

 

 

 

Таблица 2 – Сбор нагрузок

Нагрузки	Нормативная нагрузка, Н/м2	γf	Расчетное напряжение, Н/м2
Листовой настил	539	1,05	566,01
Балки	300	1,05	315
Утеплитель	343	1,2	411,9
Вакуум	180	1,2	216
Снеговая	2720	1,6	4352

 

1.4 Расчет настила

 

Для сварки  стали марки C345 принимаем электроды марки Э50 (СНиП II.23.81*. «Стальные конструкции». В соответствии по климатической зоне. Предельный относительный прогиб настила [1/n0] = 150. Из условия, заданного предельного прогиба определяем отношением наибольшего пролета настила к его толщине по формуле Телояна:

,

где Е1=22,6·106 Н/см2 – коэффициент Пуассона.

        q - нормативная нагрузка на настил q, Н/м2,от нагрузок, действующих сверху вниз определяется по формуле

;                                                                                       (17)  

q = 539,06+300+343,35+180+2720 = 4082,41 Н/м2

 

Тогда

Шаг ребер настила рекомендуется выбирать в пределах 0,6 – 1,5м. Принимаем шаг ребер настила 1,2м.

 

 

 

 

1.5 Расчет поперечных ребер настила

 

Ребра принимаем из швеллеров, марка стали С345. Расчетная нагрузка определяется для грузовой площади, шириной 1,2м.

Расчитаем расчетную нагрузку на балку настила , Н/м, по формуле

,                                                                         (18)

где gбн -принимаемая расчетная нагрузка балок настила g, Н/м,определяем по формуле

,

где γf  - коэффициент надежности по нагрузке для стали, γf =1,05.

- нормативная нагрузка балок настила, принимаемая по СНиП 2.01.07 - 85* "Нагрузки и воздействия", Н/м2, =50;

 Н/м

Определяем изгибающий момент балки настила:

Определяем требуемый момент сопротивления:

Принимаем швеллер № 5П со следующими данными:

W =9,1см3

Jx =22,8 см4

Вес погонного метра - Gp = 4,84 кг/м.

Относительный прогиб ребер (настил не учитываем в виду его малой толщины) определяем:

где E1 – Коэффициент Пуассона для стали, E1 = 22,6·106 Н/см;

Jx – момент инерции, см4;

q – нормативная нагрузка, Н/см;

, Н/см

 

условие выполняется с большим запасом, что обеспечивает дополнительную надежность конструкции

 

1.6 Расчет продольной балки щита

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Крыша резервуара

 

1. расчетная нагрузка на продольную балку:

Равномерно распределенная нагрузка на 1м длины балки при ширине грузовой площадки будет равна:

где b – ширина грузовой площадки, см;

2. момент сопротивления:

где – радиус резервуара, см, =759см;

 – радиус оголовка зонта, см, =150см;

3. требуемый момент сопротивления

4. требуемый момент инерции сечения балки из условия обеспечения жесткости:

По моменту сопротивления и моменту инерции с учетом конструктивных соображений подбираем двутавр № 18 со следующими характеристиками:

W =143см3

Jx = 1290см4

- условие обеспечения жесткости  выполняется

Покрытие резервуара запроектировано из щитов двух видов: прямоугольный со скошенным углом на опоре, треугольный.

Расчет элементов покрытия на вторую комбинацию нагрузок (избыточное давление  внутри резервуара) не производим, т.к. избыточное давление  меньше расчетной нагрузки, действующей сверху резервуара.

 

1.7 Расчет центральной стойки

 

Производим на центрально-приложенную осевую силу

1. грузовая площадь покрытия

где – диаметр грузовой площади центральной стойки, см;

2. осевая сила

,

где =150кг/м·11,06м·10м/с2=16590Н – вес стойки.

Определяем требуемую площадь сечения стойки с учетом гибкости

где – коэффициент гибкости элемента, =0,8;

Проверяем стойку из условия гибкости

=120;

где – высота центральной стойки, см: =1106;

i – радиус инерции сечения для трубы диаметром 1020 мм с толщиной стенки 6 мм, см, i=35,9;

 условие по гибкости выполняется

Для предотвращения отрыва покрытия трубчатую стойку заполняют песком.

 

1.8 Проверка устойчивости покрытия

 

Проверку выполняем с учетом действия избыточного давления р=0,12Н/см2

Общий вес покрытия и стойки принимается без учета временной нагрузки и коэффициента надежности.

,

где – нагрузка, действующая на щит покрытия;

 – расчетная нагрузка от  балок настила, утеплителя, листового  настила, Н/см2, =0,0566+0,0315+0,04119=0, 129;

 – нагрузка от веса стойки.

Усилие изнутри резервуара вверх составит:

Тогда общий вес покрытия и стойки будет равен:

Исходя из условия, что , расчет на устойчивость не требуется, но требуется увеличить массу покрытия для предотвращения ее отрыва либо предусмотреть крепление щитов покрытия к корпусу и стойки резервуара

 

1.9 Проверка формы корпуса резервуара

 

Проверка выполняется с учетом совместного действия вертикальных и горизонтальных сжимающих усилий.

,

где – абсолютное значение расчетного продольного напряжения;

 – абсолютное значение расчетного кольцевого напряжения.

- критическое напряжение при  раздельном равномерном действии  осевого сжатия;

 – критическое напряжение  при раздельном равномерном действии  радиального сжатия;

Проверку устойчивости формы резервуара выполняется для среднего (пятого) пояса с толщиной стенки 4 мм.

Расчетная площадь

,

где – толщина среднего пояса;

Согласно СНиП 2-23-81* критическое напряжение при осевом сжатии принимается равной меньшей из двух величин.

,

где .

Т.к. отношение , то коэффициент не учитываем, а коэффициент =0,074

Определяем критическое напряжение для расчетного сжатия

Условие не выполняется. Значит, резервуар с такой высотой при рассчитанной толщине стенке неустойчив.

Предлагаю увеличить толщину стенки резервуара до 8мм. Тогда

;

;

Согласно СНиП 2-23-81* критическое напряжение при осевом сжатии принимается равной меньшей из двух величин.

,

где .

Т.к. отношение , то коэффициент не учитываем, а коэффициент =0,0875

Определяем критическое напряжение для расчетного сжатия

Условие выполняется. Значит, резервуар с увеличенной толщиной стенки устойчив.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ РЕЗЕРВУАРОВ

 

1. Сооружение оснований фундаментов под вертикальные стальные резервуары

 

Основания под стальные резервуары воспринимают давление от массы хранящегося в резервуаре продукта и собственного веса резервуарных конструкций. Давление резервуаров на грунт при высоте стенки 11,5—12 м составляет 0,12—0,13 МПа, при высоте стенки 17—18 м —0,18—0,19 МПа. В этом случае достаточно, чтобы площадка под застройку слагалась из грунтов с несущей способностью 0,20—0,25 МПа. Исходя из этих условий, вертикальные резервуары сооружают на скальных, полускальных песчаных, крупнообломочных, глинистых и макропористых грунтах. В последнем случае принимаются меры по укреплению грунта и предохранению его от замачивания. На черноземных и подзолистых грунтах сооружают резервуары объемом до 300 м3. Нельзя использовать в качестве основания под резервуар насыпные грунты с органическими включениями, торф и плывуны. В таких случаях фундаменты под резервуары строят по специальным проектам, предусматривающим повышение несущей способности основания одним из существующих способов.

Основными способами укрепления оснований резервуаров являются: замена грунта (лёссовидные грунты, торфяники, грунты при мощности залегания не более 3 м); уплотнение просадочных грунтов тяжелыми трамбовками с последующей защитой от замачивания, силикатизация или смолизация грунтов путем нагнетания в грунт через систему инъекторов растворов; силиката натрия или карбамидной смолы с соответствующими отвердителями, цементизация и битуминизация для переувлажненных песчаных или гравелистых грунтов, термическое закрепление грунта путем обжига массива через пробуренные скважины (для просадочных макропористых грунтов). Выбор способа закрепления грунта зависит от его вида, мощности залегания, конкретных условий площадки.

Несмотря на то, что обычно под строительство резервуарных парков площадку выбирают со спокойным рельефом местности, в некоторых случаях строительство приходится вести на участках со значительными уклонами и даже на склонах отдельных небольших гор, холмов или сопок. В таких случаях на косогорных участках группы резервуаров или отдельные резервуары размещают в полувыемках или на полунасыпях. При этом резервуары по возможности устанавливают на материковый грунт. Если это выполнить невозможно, то выемку под фундамент резервуара углубляют, и тогда весь резервуар располагается на насыпном грунте. Это обусловлено различной величиной деформаций материкового и насыпного грунтов.

Для резервуаров объемом до 5000 м3 включительно основание представляет собой грунтовую подсыпку с уложенной поверх нее песчаной подушкой. Грунтовая подсыпка выполняется обычно из местного грунта, укладываемого слоями 15—20 см с уплотнением каждого слоя. Общая высота грунтовой подсыпки зависит от состава подстилающих грунтов. На макропористых грунтах для подсыпки используют суглинистые грунты естественной влажности (часто привозные). Во всех случаях применения для грунтовой подсыпки слабодренирующих грунтов верхняя отметка подсыпки должна обеспечивать сток воды из-под основания. Поверх грунтовой подсыпки устраивают песчаную подушку, которая выполняется из песка средней крупности с ограниченным содержанием глинистых и пылевидных частиц. Поверхность подушки имеет уклон 2% от центра к краям. Диаметр песчаной подушки на 1,4 м больше диаметра резервуара. Чтобы предотвратить коррозию днища, поверх песчаной подушки укладывают гидрофобный слой, состоящий из супесчаного грунта, который тщательно перемешан с вяжущим веществом. В качестве вяжущего материала применяют нефтяные битумы, каменноугольные дегти, полугудроны, иногда мазуты, не содержащие сернистых соединений. Количество вяжущего вещества составляет 8—10% объема смеси, а количество глинистых частиц (крупность менее 0,005 мм) в грунте не должно превышать 5% объема всего грунта. Толщина гидрофобного (гидроизолирующего) слоя должна быть 80—100 мм, для макропористых грунтов — 200 мм. Бермы подушки имеют уклон 1:10 от резервуара, а откосы — 1:1,5. Бермы и откосы замащивают булыжником или бетонируют. Вокруг основания устраивают водосборную канавку с выходом в приемный колодец ливневой канализации. При устройстве оснований на косогорах в зависимости от состава грунтов на них срезают горизонтальную или ступенчатую полку. Выше резервуара на косогоре отрывают нагорную канаву для отвода ливневых вод. 
При сооружении резервуаров объемом 10000 м3 и более нагрузка на основание в месте примыкания стенки к днищу значительно возрастает, поэтому в данных случаях по периметру основания устраивают кольцевой железобетонный фундамент. Кольцевую плиту выполняют монолитной или из отдельных железобетонных плит. В зависимости от объема резервуара ширина кольца может быть 1000—1400 мм, толщина 200—300 мм. Кольцо позволяет распределить сосредоточенную нагрузку от массы стенки и покрытия резервуара, от снега и давления ветра по большей площади и тем самым уменьшить осадку всей конструкции. Иногда в районах с ветровыми нагрузками более 450 Н/м2 , в грунтовую подсыпку укладывают бетонные блоки для заанкеривания резервуаров. Для районов с сейсмичностью более 7 баллов ширина плиты принимается 5 м, а толщина — 400 мм. При этом устраивают также выступ плиты от кольца наружу для установки задвижек приемо-раздаточных патрубков.