Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ С ПЛОСКИМИ ДНИЩАМИ. РАСЧЕТ ОБОЛОЧЕК ПО МЕТОДУ ЛАПЛАСА

Основными элементами резервуара являются боковая стенка, покрытие и днище (рис. 13.1, а. . .г). Днище этих конструкций в большинстве случаев плоское, корпус ци­линдрический. Такая форма рациональная с точки зрения прочности и возможности изготовления ее с наименьшим расходом металла. Изготовляют резервуары главным обра­зом из сталей марок Ст2 и СтЗ, а также из низколегирован­ных сталей.

Оптимальное с позиции расхода металла соотношение между высотой h резервуара и его диаметром D определяется условием, что масса металла в днище и покрытии равна массе металла в цилиндрической части. При этом для объек­тов объемом 100. . ,600 м* НЮ—1,25. . .0,85; для объектов объемом до 10 000 м* НЮ=0,7. . .0,35. Однако о учетом требований технологии типовые проекты резервуаров вмес­тимостью 100. . .2000 м* предусматривают изменение высо­ты стенки от 5920 до 11 845 мм, тогда как в более крупных резервуарах (50 000 м* и выше) высота остается практиче­ски постоянной и, как правило, не превышает 18 м.

Схематическое расположение швов на цилиндрической части резервуара показано на рис. 13.2, а. Продольные стыковые швы в нижней части оболочки располагают в одну нитку или вразбежку (рис. 13.2, б, в). На рис. 13.2, б по­казан продольный разрез нижней части оболочки соеди­нения листов толщиной до 7. . .8 мм; на рис. 13.2, в изобра­жены нахлесточные соединения. Размер нахлестки a>4s, где s — толщина листа обечайки. Внешние швы нахлесточ - ного соединения накладываются непрерывными, внутрен­ние — прерывистыми. Последнее делается для улучшения условий контроля соединений на плотность. В местах пере­сечений горизонтальных и вертикальных швов производят подбивку листов, обеспечивающих плотность соединений. Продольные швы свариваются встык (рис. 13.2, с).

Толщину обечаек проектируют переменной и назначают согласно расчету на прочность. По безмоментной теории
оболочка рассматривается как гибкая, учитывающая лишь мембранные напряжения. Основными рабочими соедине­ниями являются продольные швы обечаек. Их прочностью определяется толщина стенок резервуара.

6)

нениях поясов

Расчет оболочек производится как тонкостенных безмо - ментных систем по 4юрмулам Лапласа.

Игнорирование изгибающими моментами объясняется малой толщиной оболочек. При системах с толщиной в де­сятки миллиметров учитываются также изгибающие мо­менты и их влияние тем значительнее, чем меньше радиус обечайки.

Допустим, что давление в резервуаре на глубине у (рис. 13.3, а)

Р = УУ, (13.1)

где V — удельный вес жидкости.

Определим напряжения в вырезанном из обечайки коль­це шириной, равной единице. Рассечем кольцо плоскостью и приложим в месте разреза силы

N = a s-1,

где <3 — напряжение в кольце; s — толщина кольца. Условие статического равновесия полукольца

Я/2

— 2Л/ + 2 ^ ptf cos a da = 0, (13.2)

о

Если в поясе предусмотрено отверстие для крепления труб (рнс. 13.3, б), то обечайка в зоне отверстия ослабляется и в этом случае возможны два варианта расчета.

1. Допустим, что напряжение в сечении, ослабленном отверстием,

<137>

где Л„ — высота пояса; d — диаметр отверстия. В этом слу­чае отверстие не опасно, так как запас прочности в целом

сечении настолько велик, что даже в месте выреза расчетное напряжение о оказывается меньше допустимого.

2. Предположим, что на­пряжение в сечении, ослаблен­ном отверстием, больше допу­скаемого |<т|р. В этом случае обечайку в зоне выреза обыч­но усиливают (рис. 13.3, в), например кольцом. Условно считают, что кольцо возме­щает площадь металла, вы­резанного из стенкн.

Плоское днище резервуара (рис. 13.1, в), установленное на песчаное или бетонное ос­нование, не несет рабочих уси­лий. Днище изготовляют из листов толщиной 4. . .8 мм в зависимости от диаметра резервуара. Нередко по перифе­рии днища под вертикальными стенками укладывают более толстые листы. Например, если в средней части s=6 мм, то на периферии s=8 мм.

Соединение цилиндрической части с днищем является ответственным элементом конструкции (рис. 13.4, а). В мес­те соединения возникает изгибающий момент М, зависящий от толщины вертикальной стенки и днища, коэффициента жесткости основания и от длины участка листа днища (кон­соли), выступающего за стенку.

Приближенно момент, возникающий в месте соединения на единицу длины, определяется по формуле

Напряжения в стенке резервуара iVft 0,pRs „ к pR

a-vr=-TE • (13.9)

’ 6

Примем р=0,1 МПа для воды при /і=10м, /?=10м, s=l см.

При этих условиях 0=60 МПа.

Напряжение направлено параллельно образующей. Эпю­ра распределения напряжений от момента по высоте стенки резервуара показана на рнс. 13.4, б. Установлено, что сое­динение цилиндрической части с днищем двумя непрерыв­ными швами обеспечивает прочность, поэтому обычно спе­циального расчета на прочность для этого соединения не производят.

Крыши резервуаров (см. рис. 13.1, б) проектируют при условии выполнения основного объема заготовительных и сварочных работ на заводе. При наличии средней стойки покрытие расчленяют на отдельные щиты. Щит состоит из двух элементов, направленных радиально, нескольких поперечин и листов покрытия, привариваемых к ним. Ра­диальные и поперечные элементы, образующие каркас щи­та, изготовляют из профильных прокатных, гнутых или штампованных заготовок. Щит, с одной стороны, привари­вают к оболочке, а с другой — опирают на центральную стойку.

Стальные листы кровли имеют толщину s=2. . .3 мм. Элементы каркаса воспринимают вертикальную нагрузку от собственного веса, веса снега, учитываемого в зависимо­сти от района и угла наклона кровли, а также веса людей, которые могут находиться на кровле. Листовые покрытия рассматриваются при расчете прочности как пластины с опорой по контуру. Приближенно пластина при расчете может приниматься прямоугольной (см. рис. 13.1, г). Обо­значим через а меньшую сторону прямоугольника, через b — большую. Напряжения в пластине от нагрузок q, равномерно распределенных по се плоскости,

o = 6a</a*/s*, (13.10)

где q — нагрузка от веса снега и собственного веса кровли;

а=0,192 при а—Ь, а=407 при a=0,5b, s — толщина

кровли.

Вес человека Р может рассматриваться в качестве экви­валентной распределенной нагрузки

Каркас расчленяют на отдельные стержни, которые рас­сматривают при расчете на прочность как балки со свобод­ной опорой, работающие на поперечный изгиб под действи­ем вертикальных сил.

Если в конструкции резервуара предусмотрена средняя стойка, то она воспринимает около 33% всей вертикальной

нагрузки на крышу. Она может быть нагружена как центрально (при ус­ловии симметричного за - гружения снегом всей крыши), так и эксцент­рично. Стойку рассмат­ривают как элемент, шарнирно закреплен­ный по концам, и проек­тируют согласно принципам расчета (см. гл. 9). Она может иметь решетчатую форму или форму трубы. Иногда ее ис­пользуют в качестве барабана для навивки рулонированной поверхности днища.

Шитовые покрытия резервуаров могут выполняться складчато-коническими (рис. 13.5), что обеспечивает значи­тельную жесткость как местную (отдельных элементов), так и общую всего покрытия.

Непрерывно ведутся работы по увеличению объема ци­линдрических резервуаров. В настоящее время изготовляют резервуары вместимостью 50 ООО м* и более. Проектируют резервуары еще больших размеров с двух - или трехслой - нымн стенками цилиндрической части, составленными из рулоннруемых полотнищ толщиной менее 16 мм.