ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДНИЩА
Барская Г.Б.
ORCID: 0000-0003-0830-7106, Кандидат технических наук, доцент, Тюменский государственный университет,
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДНИЩА
Аннотация
Большинство резервуаров в Западной Сибири после года эксплуатации получают осадки 5-6 раз превосходящие допустимые нормы. Такое положение сложилось из-за горизонтальных перемещений и осадок слабых грунтов, лежащих в основании. Переход на свайные основания ликвидирует вышеуказанные недостатки, однако резко увеличивает стоимость основания. Поэтому решение проблемы видится в разработке новой конструкции основания под вертикальные стальные резервуары, позволяющей снизить стоимость их строительства с сохранением надежности и долговечности.
Ключевые слова: резервуар, слабые грунты, свайный фундамент.
Barskaya G.B.
ORCID: 0000-0003-0830-7106, PhD in Engineering, Associate professor, Tyumen State University,
THE STUDY OF THE RESERVOIR BASE USING THE BEARING CAPACITY OF THE BOTTOM PLATE
Abstract
After one year of use the most of reservoirs in Western Siberia receive the draft at 5-6 times greater than permissible limits. This situation is due to the horizontal displacement and draft jf the soft ground, lying at the base. This drawbacks can be eliminated by in the pile foundation using, but the cost of the base sharply increases. Therefore, the solution to the problem is to develope the new design base for vertical steel tanks. It allowes to reduce the cost of construction while maintaining reliability and durability.
Keywords: reservoir, weak soils, pile foundation.Удорожание строительства резервуаров происходит вследствие низких температур, заболоченности территорий, отсутствии местных строительных материалов, применения в большом объеме нетиповых проектных решений, выполнении специальных научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ и разработке новых конструктивных решений.
Осадка резервуаров происходит в основном из-за недостаточной несущей способности грунтов основания. Проблему может решить снижение вертикального давления от веса резервуара. Для выполнения поставленной задачи необходимо разработать конструкцию основания, которая преобразует вертикальное давление на нормальное и касательное, которое в свою очередь позволит уменьшить вертикальные нагрузки на основание благодаря увеличению силы трения и сцепления, направленные вдоль наклонной боковой грани трапециидального ленточного фундамента не допускающих горизонтального перемещения грунта, находящегося под днищем резервуара.
Предлагаемое конструктивное решения (рис. 1) заключаются в том, что резервуары строятся на основаниях, уплотненных трапециидальными лентами с использованием несущей способности днища и ограничением бокового перемещения грунта [1].
Известно, что применение трапециидальных свай дает возможность разложить вертикальную нагрузку на нормальную и касательную и тем самым уменьшить вертикальную составляющую нагрузку на основание резервуара.
Для резервуарных парков выбирают площадки с наиболее благоприятными для Западной Сибири геологическими условиями. Однако по нормам СниПа даже эти площадки являются непригодными для строительства резервуаров большой емкости. Предлагаемые конструкции основания выполняются следующим образом: убирается растительный слой, после чего производится отсыпка основания песчаными грунтами с уплотнениями. В основании выполняются трапециидальные траншеи. Для их образования предлагается использовать двухдисковые катки, аналогичные каткам, применяемым в дорожном строительстве. Катки используются для увеличения несущей способности фундамента и выполнены не клиновидной, а трапециидальной формы.
Рис. 1 - Основание резервуара с днищем на выштампованных трапециидальных фундаментах: 1 – стенка, 2 – днище, 3 – окраек, 4 – ростверк, 5 – гидрофобный слой, 6 – свая, 7 – песчаная подушка, 8 – ленточный трапециидальный фундамент
Катки выполняются диаметром до двух метров, в этом случае глубина фундамента (траншеи) составит 0,8-0,9 м. Для увеличения глубины фундамента применяется однодисковый каток. Каток опускают в траншею, выполненную двухдисковым катком. Однодисковые катки имеют угол наклона боковых сторон на 4-5 градуса больше, чем двухдисковые, что увеличивает усилие на наклонные стенки траншеи и ведет к повышению несущей способности основания. Кроме того, увеличиваются горизонтальные усилия при передаче нагрузки от заполненного резервуара, а следовательно уменьшается вертикальная нагрузка на основание.
После образования траншеи производится их заполнение гравием, щебнем или крупнозернистым песком. В процессе отсыпки траншей производят уплотнение. Уплотнять заполнитель можно катками, применяемыми для образования траншей.
В применяемых конструкциях фундаментов резервуаров, днище используется как ограждающий нерасчетный элемент. Изучена возможность создания металлического днища резервуара, совмещающего свойства несущей и ограждающей конструкции.
Развитие уточненных методов расчета упругого и упругопластичного равновесия пластинок конечной жесткости по деформированной схеме позволяет обратиться к конструкции плоского (в недеформированном состоянии) металлического днища резервуара, опирающегося на ленточные трапециидальные фундаменты.
Переходя от предложенной конструкции днища к расчетной схеме (рис. 2,а), можно считать металлический плоский настил прямоугольной пластиной, одна сторона которой защемлена в местах опирания на фундамент (за исключением участков днища, примыкающих к стенке резервуара) и имеет значительно большую длину, чем другая сторона, длина которой равна расстоянию между трапециидальными фундаментами. Естественно, что при исследовании равновесия такого днища представляется возможным пренебречь изгибом в направлении длинной стороны и свести задачу к случаю цилиндрического изгиба, при котором условия работы каждой из полосок, вырезанных в направлении короткой стороны, одинаковы.
Рис. 2 - Расчетная схема днища: а – с защемленными кромками; б – с шарнирно-закрепленными кромками
Под влиянием полезной нагрузки (вес нефтепродуктов) полоска испытывает деформацию изгиба, и её опорные кромки стремятся сблизиться. Этому сближению препятствуют соседние аналогично загруженные пролеты днища или, на периферийных участках, корпус резервуара. В опорных сечениях днища развиваются реактивные продольные усилия, растягивающие днище и уменьшающие его изгиб (расчет по деформированной схеме).
Характер работы днища зависит от соотношения между растягивающим и так называемыми цепными напряжениями и напряжениями изгиба. Если влияние цепных напряжений незначительно, то условия работы днища приближаются к условиям обычного изгиба балки. Если же цепные напряжения по величине значительно превосходят напряжения изгиба, то условия работы днища становятся близкими к условиям работы абсолютно гибкой мембраны.
Задачи об упругом равновесии указанных пластин рассмотрены в упруго-пластической стадии и весьма убедительно доказывается недостаточность расчета пластин с защемленными кромками с учетом только упругой стадии работы материала. Инженерная практика и данные экспериментов свидетельствуют, что достижение фибровой текучести в опорном сечении не означает исчерпание несущей способности пластин с защемленными кромками. Пластины в состоянии воспринять нагрузку, в несколько раз превышающую ту, при которой в опорном сечении обнаруживаются первые признаки текучести.
Допустив образование пластических шарниров в защемленных опорных сечениях днища, можно перейти к расчетной схеме днища с шарнирно-неподвижными кромками (рис. 2,б) и использовать простое решение Тимошенко-Бубнова для упругой стадии работы материала [2 С.164]. В этом случае при расчете днища сравниваются фибровые напряжения σ в середине пролета днища с расчетным сопротивлением стали R, при достижении которого, образование пластичных шарниров в опорных сечениях днища завершается.
Распор N находится из условия, что удлинение полоски вырезанной из пластины 
от распорной растягивающей силы равняется разности длин изогнутой и прямой полоски 
(1)
(2)
Приняв изогнутую ось в виде синусоиды:
получим
При совместном действии растягивающей силы и изгибающего момента максимальный прогиб f с достаточной точностью равен
где Mδ - балочный момент от поперечных нагрузок
где α - коэффициент влияния продольной силы
Nэ - Эйлерова критическая характеристика, учитывающая осевое воздействие на систему
D - цилиндрическая изгибающая жесткость пластины
Получаем распор в функции коэффициента
Максимальный изгибающий момент зависит от коэффициента
Коэффициент влияния продольной силы определяем, приравнивая правые части формулы (1) и (2) и вводя значения 
В результате получаем кубическое уравнение которое легко решить приближенными методами (например методом хорд и касательных)
При проектировании днища для определения коэффициента α и цилиндрической жесткости следует задаваться толщиной листа и расстоянием между ростверками.
По результатам вычислений (рис. 3) построены зависимости от 
, цепных напряжений σN (кривая 1), напряжений изгиба днища σM (кривая 4), суммарные напряжения σ (кривая 3), а также отношения наибольшего прогиба к величине пролета 
(кривая 2).
Рис. 3 - Зависимость цепных напряжений, суммарных напряжений, напряжений изгиба и отношение наибольшего прогиба к величине пролета
Анализ графиков позволяет сделать вывод, что при увеличении отношения до 350-550 работа днища приближается к работе абсолютно гибкой мембраны, работающей только на растяжение. Этому диапазону соответствуют суммарные напряжения. Восприятие их можно обеспечить днищем из сталей повышенной и высокой прочности класса С52/40, С60/45, С70/60, С85/75. За счет их использования достигается значительная экономия материалов. Днище остается плоским в недеформированном состоянии, что позволяет применить метод рулонирования при монтаже. Толщина днища, например, из стали марки 6Г2АФ составляет 8-14 мм при пролетах 2,8-7,7 м.
В таблице 1 приводятся данные для сравнения расхода основных строительных материалов на 1 м2 основания резервуара, выполненного в двух вариантах.
Емкость резервуара 20 тыс.м3, несущая способность сваи 50 тс, нагрузка на днище резервуара 0,125 МПа. Расчетный пролет днища между ростверками 2 м, толщина листа днища 6 мм, сталь марки 14Г2АФ. Ростверк из железобетонных плит размером 2,0x2,0 м при толщине 20 см, бетон М-300, арматура класса А-III, армирование 0,62%.
Таблица 1 - Расход основных строительных материалов на 1 м2 основания резервуара, выполненного в двух вариантах
|
Вариант основания |
Бетон | Арматура | Листовой металл | |||
| м3 | % | кг | % | кг | % | |
| Ростверк из треугольных железобетонных плит | 0,198 | 100 | 27,7 | 100 | 47 | 100 |
| Трапециидальные фундаменты с засыпкой уплотненный щебнем (бетоном) | 0,58 | 43,9 | 8,84 | 31,9 | 47 | 100 |
Предлагаемая конструкция основания вертикального стального резервуара, является экономичной как с точки зрения использования материала, так и по трудовым затратам, что весьма важно при строительстве в районах со сложными инженерно-геологическими и климатическими условиями.
Список литературы / References
- Основание стального вертикального резервуара: пат. 2187599 Рос. Федерация: МПК 7 E02D027/38 / В.Н. Антипьев, Г.Б. Барская, Л.С. Иванова; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет. – № 2000131842/03; заявл 18.12.2000; опубл. 20.08.2002, Бюл. № 23. – 3 с.
- Петров В.В. Методы расчета конструкций из нелинейно-деформируемого материала / В.В. Петров, И.В. Кривошеин. – М.: Издательство АСУ. 2009. – С. 208.
Список литературы на английском языке / References in English
- Osnovanie stal'nogo vertikal'nogo rezervuara [The base is steel vertical tank]: pat. 2187599 Rus. Federation MPK 7 E02D027/38 / V.N. Antip'ev, G.B. Barskaja, L.S. Ivanova [V. N. Antipyev, G. B. Barskaya, L.S. Ivanova]; the applicant and holder of a patent Tyumen state oil and gas University. № 2000131842/03; zajavl 12.2000; opubl. 20.08.2002, Bjul. № 23. – 3 p. [in Russian]
- Petrov V.V. Metody rascheta konstrukcij iz nelinejno-deformiruemogo materiala [Metody of calculation of designs from a nonlinear-deformed material] / V.V. Petrov, I.V. Krivoshein. M.: Izdatel'stvo ASU. 2009. 208 p. [in Russian]