Основы расчета стальных листовых конструкций. Газгольдеры: классификация, конструктивные решения и особенности работы.

Листовые конструкции представляют собой различные сооружения типа оболочек, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы (пластинки и оболочки). Они применяются для хранения, перегрузки, транспортировки, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов. Листовые конструкции широко применяются во всех областях промышленности и составляют по массе около 20 % всех применяемых М/К.

Листовые конструкции классифицируются по назначению:

7. резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, кислот, сжиженных газов и пр.);

8. газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;

9. бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (руды, угля, цемента, песка и т.п.);

10. листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагреватели, пылеулавливатели и др.);

11. листовые конструкции специальных технологических установок (химических и нефтеперерабатывающих заводов);

12. трубопроводы большого диаметра для транспортировки воды и газов.

Элементами, образующими листовую конструкцию, являются плоские металлические листы – пластинки или изогнутые листы – оболочки. Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от их геометрических параметров.

Работа и расчет плоских пластинок зависят от отношения , где l – пролет пластинки или наименьший размер в плане при опирании пластинки по контуру, t – ее толщина.

Пластинки малого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают только на изгиб. Напряжениями от распора пренебрегают, если

Пластинки большого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают на совместное действие изгиба и растяжения. У них .

Гибкие пластинки (мембраны) имеют отношение и работают как гибкие нити только на растяжение от распора.

Поверхность оболочек образуется изгибом листов по заданному радиусу кривизны. Оболочки, изогнутые в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называются цилиндрическими; если этот радиус изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, получается коническая оболочка. Если оболочка образована изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, получается сферическая оболочка.

Работа и расчет оболочек зависят от отношения ее радиуса кривизны к толщине .

Тонкие оболочки листовых конструкций имеют отношение .

Равновесие элемента тонкой оболочки при определенных условиях соблюдается при наличии только осевых сил без изгиба (безмоментная теория расчета).

К таким условиям относятся:

1. сплошные осесимметричные нагрузки без резких изменений интенсивности;

2. участок оболочки должен быть сплошным, достаточно удаленным от так называемых краевых линий, препятствующих или искажающих плавность деформаций оболочки.

акие линии образуются ребрами жесткости, днищами, резкими изменениями толщины, острыми перегибами.

 

Деформация оболочки в этих местах стеснена, на некотором участке происходит местный изгиб, которым нельзя пренебречь.

Возникновение изгибающих моментов у краевых линий называется краевым эффектом.

Напряжение для некоторых оболочек простейших форм:

2. Шаровая оболочка ,

где P – внутреннее давление;

r – радиус сферы; t – толщина оболочки;

2. Цилиндрическая оболочка ;

Оболочки, как правило, испытывают двухосное напряженное состояние. Проверка их прочности производится по приведенным напряжениям

Проверка оболочек на устойчивость заключается в том, чтобы расчетные напряжения в оболочке от нагрузки не превышали критических которые зависят от вида оболочки, отношения, напряженного состояния и материала.

Приемные бункеры-накопители и силосы

Приемные бункеры-накопители и силосы служат для хранения сыпучих материалов, как то песок, цемент, угль, известь, гравий, кокс и другие подобные материалы, а также для хранения сыпучих сельскохозяйственных продуктов, таких как зерно.

При выборе параметров сооружения, играет роль совокупность следующих факторов:

· его компоновка;

· необходимый запас материалов;

· применимый метод загрузки и выгрузки;

· тип несущей конструкции;

· физические характеристики материалов (плотность, угол откоса, размеры);

· экономические требования.

Газгольдеры являются инженерными сооружениями, которые предназначены для хранения газа различного назначения и происхождения. Они снабжены специальными устройствами необходимыми для регулирования основных параметров хранимых материалов. В зависимости от своего назначения газгольдеры могут выполнять как одну, так и несколько функций. Основными из которых являются:

- Кратковременное или длительное хранение газа;

- Выравнивание давления газа в замкнутой распределительной системе;

- Аккумулирование энергии давления хранящегося в нём газа;

- Измерение количества добываемого или вырабатываемого газа;

- Надёжное распределение газа при наполнении цистерн, баллонов и прочего схожего оборудования;

- Смешивание, а также перемешивание газа различных концентраций или составов;

- Оповещение о стабильности или нарушении установленного технологического процесса.

По степени применяемого давления все газгольдеры можно разделить на два класса:

1) Класс I - газгольдеры низкого давления;

2) Класс II - газгольдеры высокого давления.

Давление в газгольдерах I класса назначается исходя из специфических особенностей выполняемых технологических процессов и зачастую не превышает 500 мм вод. ст. А газгольдеры II класса работают при давлении газа до 30 атм.

Оба этих класса также в свою очередь разделяются на типы и подклассы. При этом имеется весьма существенная разница между газгольдерами постоянного объёма и постоянного давления.

В газгольдерах постоянного объема геометрический объем остается стабильным, а газовое давление может быть изменено в заранее установленных пределах, определяемых исходя из параметров технологического процесса, а также надежности и прочности сооружения.

Газгольдеры низкого давления, в большинстве своём, являются газгольдерами постоянного давления и по своим конструктивным и технологическим характеристиками могут быть разделены на две группы:

1) Группа I - мокрые газгольдеры;

2) Группа II - сухие газгольдеры.

Мокрые газгольдеры подразделяются на два типа:

1) Тип I - с вертикальными направляющими;

2) Тип II - с винтовыми направляющими.

Оба этих типа мокрых газгольдеров являются газгольдерами переменного объёма и низкого давления. Основное их различие заключается в системах выравнивания различных элементов и в системах конструкций.

Сухие газгольдеры также разделяются на два типа:

1) Тип I – поршневой;

2) Тип II - с мембраной.

Оба этих типа сухих газгольдеров относятся к газгольдерам постоянного давления газа и переменного объема

Газгольдеры постоянного объёма наиболее часто эксплуатируются при высоком или повышенном давлении хранящихся газов и различаются лишь своей геометрической формой. В подобных газгольдерах давление газа бывает как возрастающим, так и переменным.

По своей геометрической форме газгольдеры постоянного объема разделяются на два типа:

1) Тип I - цилиндрические газгольдеры со сферическими днищами, которые могут располагаться в вертикальном и горизонтальном положениях.

2) Тип II - сферические газгольдеры.

Особенности функционирования газгольдера

В специальную ёмкость под определённым давлением закачивается сжиженный газ, после чего подаётся по системе для распространения по периметру помещения к котлу отопления. Принцип функционирования подобен применению газового баллона, либо магистрали. Предпочтительно проводить монтаж газгольдера при возведении жилого сооружения или в процессе обустройства коммуникаций. Оборудование может подключаться к автономному газоснабжению. Для приобретения оборудования подходящего размера важно знать объём газа, расходуемого на протяжении двенадцати месяцев.

Оптимальной при подземном варианте установки газгольдера считается глубина от 60 см и больше от поверхности земли. Перед размещением резервуара на дно ямы укладывают бетонную плиту, выполняющую функции якоря и основания. После этого ёмкость крепят к плите, используя для этого специальные стальные тросы. После этого начинают прокладывать подземный газопровод к дому. Еще до монтажа газовых труб желательно разместить под ними сборник конденсата, что поможет решить проблему удаления пара в тех случаях, когда газ начнет слишком сильно испаряться. Когда проверочные работы будут завершены, поверх котлована насыпают слой песка.

 

21.Стальные резервуары: классификация, конструктивные решения, особенности работы и расчета.

Классификация резервуаров

Резервуары являются одним из основных сооружений нефтебаз и предназначены для хранения нефтепродуктов и производства некоторых технологических операций.По материалу, из которого сооружены резервуары, различают:

-металлические,

-железобетонные,

-каменные,

-земляные.

Большое развитие получили резервуары, сооружаемые в горных выработках. Основным строительным материалом для выработок является сама горная порода.

По отношению к уровню землирезервуары могут быть:

-подземными, когда наивысший уровень нефтепродукта в резервуаре находится не менее чем на 0,2 м ниже наинизшей планировочной отметки прилегающей площадки (к подземным относятся также резервуары, имеющие обсыпку не менее чем на 0,2 м выше допускаемого наивысшего уровня нефтепродукта в резервуаре);

-наземными, когда днище резервуара находится на одном уровне или выше наинизшей планировочной отметки прилегающей площадки (в пределах 3 м от стенки резервуара).

Для полной сохранности качества и количества нефтепродуктов, разработано большое количество различных конструкций резервуаров. Выбор типа резервуара в каждом конкретном случае должен быть обоснован специальным технико-экономическим расчётом.

Ёмкости для хранения нефтепродуктов могут быть подразделены по следующим признакам:

по материалу, из которого они изготовлены:

-металлические,

-железобетонные,

каменные,

-земляные,

-синтетические,

-ледогрунтовые

-горные в различных горных породах;

-по величине избыточного давления:

-резервуары низкого давления, в которых избыточное давление мало отличается от атмосферного (Рн < 0,002 МПа)

-резервуары высокого давления (Рн > 0,002 МПа);

-по технологическим операциям:

-резервуары для хранения маловязких нефтей и нефтепродуктов;

-резервуары для хранения высоковязких нефтей и нефтепродуктов;

-резервуары-отстойники;

-резервуары специальных конструкций для хранения нефтей и нефтепродуктов с высоким давлением насыщенных паров;

по конструкции:

-стальные резервуары вертикальные цилиндрические с коническими и сферическими крышами, горизонтальные цилиндрические с плоскими и пространственными днищами, каплевидные, шаровые;

-железобетонные резервуары (вертикальные и горизонтальные цилиндрические, прямоугольные и траншейные) (рис. 7-1…7-8).

Нефтехранилища, сооружаемые в пластах каменной соли путем размыва, в пластичных породах методом уплотнения взрывом, а так же шахтные и ледогрунтовые хранилища относятся к подземному хранению нефтепродуктов в горных выработках.

В зависимости от назначения резервуары разделяются на две группы:

К первой группе относятся резервуары, предназначенные для хранения жидкостей при избыточном давлении до 0,07 МПа включительно и температуре до 120°С. Такие резервуары проектируются и изготовляются согласно «Нормам и технологическим условиям проектирования и изготовления стальных конструкций и промышленных сооружений».

Ко второй группе относятся резервуары, работающие под давлением более 0,07 МПа. Они проектируются и изготовляются по специальным технологическим условиям. Эксплуатация этих конструкций находится под особым наблюдением специальной Государственной инспекции.

Цилиндрические резервуары являются наиболее распространенными для хранения нефтепродуктов, относительно просты в изготовлении и наиболее экономичны по стоимости.

Рисунок 1- Горизонтальный цилиндрический резервуар: / — корпус; 2 — днище; 3 — кольца жесткости; 4 — опорные диафрагмы; 5 — опорные стойки; 6— лестница; 7—люк-лаз ликом или при больших объемах в виде двух отправочных элементов с одним монтажным стыком.

 

Различают резервуары вертикальные стальные (РВС) низкого и высокого давления, с плавающими крышами (РВСПК) и понтонами (РВСП); горизонтальные цилиндрические резервуары высокого и низкого давления, наземные и подземные.

В промышленности применяется большое число стальных резервуаров различных типов и объемов без давления (резервуары с плавающей крышей и понтоном) и с давлением до 0,002 МПа (резервуары со стационарной крышей).

В последние годы ЦНИИ Проектстальконструкцией разработаны проекты опытных резервуаров объемами 50 и 100 тыс. м3и проектируются еще более крупные.

Имеются стальные резервуары траншейного типа объемом до 10 тыс. м3рассчитанные на избыточное давление 0,007 МПа.

Наибольшее распространение в нашей стране получили наземные вертикальные цилиндрические резервуары, которые а зависимости от их назначения или условий эксплуатации можно разделить на следующие типы:

Типовые сварные вертикальные цилиндрические резервуарыобъемом от 20 тыс. м3до 100м3 (рис 2):

со стационарной крышей, рассчитанные на избыточное давление 0,002 МПа, с высотой стенки не более 12 м;

с понтоном и плавающей крышей, без давления;

резервуары, предназначенные для эксплуатации в северных районах (температура до 65 °С).

Рисунок 2 – Вертикальный цилиндрический резервуар

 

Резервуары с оптимальными параметрамиобъемом от 10 до 50 тыс.м3, с высотой стенки до 18 м. На заводах резервуарных металлоконструкций при изготовлении рулонов стенки кромки листов строгаются для получения листов одинаковых размеров, например 1490x5990 мм. Таким образом, высота стенки резервуаров получается кратной 1490мм, а длина окружности (стенки) — кратной 5990 мм.

Резервуары повышенного давления широкого распространения не получили. В России сооружено всего несколько каплевидных резервуаров объемом 2000 м3, рассчитанных на избыточное давление 0,03 МПа. Значительно чаще применяют резервуары ДИСИ (Днепропетровского инженерно-строительного института) объемом 400, 700, 1000 и 2000 м3. В общей сложности таких резервуаров, рассчитанных на избыточное давление от 0,01 МПа до 0,013 МПа, построено около 200.

Основные геометрические размеры вертикальных цилиндрических и каплевидных резервуаров повышенного давления приведены в табл. 7.1. Резервуары повышенного давления наиболее экономичны для длительного хранения нефтепродуктов при небольшой их оборачиваемости (не более 10÷12 раз в год).

К числу резервуаров повышенного давления относятся изотермические резервуары для хранения сжиженных газов. Обычно они представляют собой двухслойную конструкцию (резервуар в резервуаре). Для обеспечения постоянной, отрицательной температуры пространство между наружным и внутренним кольцом заполняют теплоизоляционным материалом.

Горизонтальные надземные и подземные резервуары, рассчитанные на избыточное давление 0,07 МПа - при конических днищах и 0,04 МПа -при плоских днищах, также являются резервуарами повышенного давления.

В отличие от резервуаров с понтоном или плавающей крышей в вертикальных цилиндрических резервуарах повышенного давления не требуется никаких движущихся конструкций и уплотняющих устройств, в них сохраняется возможность рулонирования стенки и плоского днища, вследствие чего облегчается их изготовление. Эксплуатация таких резервуаров сравнительно проста. Рациональная область применения резервуаров этого типа - объем до 3 тыс. м3. При больших объемах усложняются конструкции крыши и анкерных устройств.

Таким образом, отечественное резервуаростроение охватывает большую номенклатуру резервуаров различных типов и назначений. Однако число типоразмеров, например, в пределах 5÷100 м3, в нашей стране значительно меньше, чем в развитых зарубежных странах. В отношении взаимозаменяемости, применительно к большим объёмам резервуаров наша номенклатура более чёткая, чем зарубежная.

Климатические условия России вызывают необходимость дифференцированного подхода к применению тех или иных типов резервуаров с учетом специфических условий их эксплуатации, значительных температурных колебаний, больших снеговых и ветровых нагрузок, сейсмических воздействий, вечномерзлых и просадочных грунтов и т.д.

Например, резервуары с понтоном и со стационарной крышей по расходу стали более металлоемки (на 15÷20%), чем резервуары тех же объемов с плавающей крышей. Однако в районах с большими снеговыми нагрузками или песчаными бурями приходится применять резервуары с понтоном. По аналогичным причинам в северных районах с большими снеговыми и ветровыми нагрузками в целях обеспечения устойчивости стенок резервуаров предпочтительнее резервуары высотой не 18м (экономически более выгодные), а до 12 м. В дальнейшем целесообразно ограничить применение резервуаров больших объемов (50 тыс. м3и более) в северных районах во избежание возможных хрупких разрушений.

Отечественный индустриальный метод рулонирования применительно к резервуарам больших объемов в связи с ограничением толщины листов требует иногда применения новых конструктивных форм, например двухслойной или предварительно напряженной стенки, усиления бандажами и других решений.

Перечисленные выше специфические условия проектирования, изготовления и монтажа, а также эксплуатации резервуаров отражаются и в методике расчета. В России за основу принят метод расчета конструкций по предельным состояниям.

 

22. Общие сведения о легких металлоконструкциях, их конструктивные решения

К легким металлическим конструкциям относят несущие и ограждающие конструкции, венные преимущественно из эффективных профилей (трубчатых, гнутых, тавровых, тонкостенных, перфорированных) обычной и высокопрочной сталей и алюминиевых сплавов, легких теплоизоляционных материалов. Суммарная масса таких конструкций на 1 ограждающей поверхности не превышает 100...150 кг.

Гнутые и перфорированные профили дороже прокатных и сплошностенчатых, высокопрочные стали и эффективные утеплители дороже обычных. Чтобы легкие конструкции могли конкурировать с обычными, они должны отличаться высокой реальностью. Поэтому основными предпосылками разработки легких конструкций являются серийное изготовление на автоматизированных линиях, максимальная заводская готовность, монтаж крупными блоками.

Сейчас выпускают одноэтажные промышленные здания различных типов из легких металлоконструкций комплексной поставки: каркасы плоскостной системы из рамных конструкций, каркасы пространственной системы с покрытиями из структурных плит и др. Вместе с каркасами комплектно поставляют ограждающие конструкции: трехслойные стеновые панели со стальными и алюминиевыми обшивками и утеплителями из пенополиуретана или минераловатных плит, стальные и алюминиевые оконные и блоки, алюминиевые витражи и витрины, стальные ворота, зенитные фонари, каркасы перегородок, алюминиевые подвесные потолки, стальные лестничные марши и площадки.

Наряду с использованием в каркасе здания эффективных профилей из стали повышенной прочности, позволяют снизить расход металла в 1.5-2 раза, а общую массу здания в 3-4 раза по сравнению с традиционными конструкциями, что способствует снижению трудозатрат в 1.3-1.5 раза. Характерным для этих конструкций является их комплексная поставка на строительную площадку, то есть поставка несущих и ограждающих конструкций, а в ряде случаев и технологического оборудования, что позволяет сдавать заказчику здание «под ключ». Элементы конструкций соединяются исключительно при помощи болтовых соединений. Для того чтобы исключить ошибки или неточности в монтаже, на заводе — изготовителе проводится ряд мероприятий, направленных на достижение высокого качества и надёжности лёгких металлоконструкций. Здания из лёгких металлоконструкций имеют ряд преимуществ перед сооружениями, построенными с использованием традиционных материалов. Например, срок монтажа здания из ЛМК примерно в 2 раза меньше, чем возведение такого же здания по традиционной методике, следовательно, финансовые затраты сокращаются на 25-30 %, за счёт снижения себестоимости строительства нулевого цикла; с использованием ЛМК можно создавать более сложные архитектурные решения и др.

Можно условно разделить все преимущества зданий из лёгких металлических конструкций на две группы:

Эксплуатация сооружения

· Прочность и долговечность

· Пожаробезопасность

· Сейсмостойкость

· Минимальные тепловые потери

· Экологичность

· Низкие затраты на эксплуатацию

· Широкие архитектурные возможности

Фаза строительства

· Низкая стоимость материалов

· Экономия на фундаменте

· Быстрота и удобство сборки

· Отсутствие усадки

· Точность исполнения

· Всепогодность строительства из-за отсутствия «мокрых процессов»

· Простота сборки

· ля восстановления и повышения несущей способности элементов металлических стропильных ферм обычно используют аналогичные схемы, что и для усиления стальных балочных конструкций.

· Обычно усиление металлических ферм осуществляют путем превращения их в статически неопределимые системы за счет:

· - подведения дополнительных опор;

· - объединения концов ферм смежных пролетов и превращения их

· в многопролетные конструкции;

· - подведения подкосов или подвесок;

· - надстройки поддерживающих тросовых систем;

· - установки поддерживающих арочных конструкций;

· - введения шпренгельных элементов;

· - введением дополнительных элементов решетки, изменением схемы конструкции и увеличением сечения отдельных элементов.