9. Расчет конструкций резервуара
9.1 Основные положения
Расчет конструкций резервуаров выполняется по методике предельных состояний в соответствии с ГОСТ 27751 – по предельным состояниям первой и второй групп.
Условные обозначения и размерности используемых величин приведены в Приложении П.1.
9.1.1. Нагрузки и воздействия
9.1.1.1. В процессе строительства и в течение расчетного срока службы резервуар должен выдерживать заданные при проектировании нагрузки и воздействия.
9.1.1.2. Классификация, нормативные и расчетные значения нагрузок и воздействий, а также учет их неблагоприятных сочетаний осуществляется исходя из климатических и сейсмических условий, а также технологических особенностей эксплуатации резервуара и в соответствии со СНиП 2.01.07-85*.
9.1.1.3. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке, соответствующий рассматриваемому предельному состоянию и принимаемый по СНиП 2.01.07-85*.
9.1.1.4. К постоянным нагрузкам относятся нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуаров.
9.1.1.5. К временным длительным нагрузкам относятся:
– нагрузка от веса стационарного оборудования;
– гидростатическое давление хранимого продукта;
– избыточное внутреннее давление или относительное разряжение в газовом пространстве;
– снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением;
– нагрузка от веса теплоизоляции;
– температурные воздействия;
– воздействия от деформаций основания, не сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта.
9.1.1.6. К временным кратковременным нагрузкам относятся:
– ветровые нагрузки;
– снеговые нагрузки с полным нормативным значением;
– нагрузки от веса людей, инструментов, ремонтных материалов;
– нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении, транспортировке и монтаже конструкций резервуара.
9.1.1.7. К особым нагрузкам относятся:
– сейсмические воздействия;
– аварийные нагрузки, связанные с нарушением технологического процесса;
– воздействия от деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта;
– нагрузки, возникающие в процессе стихийного бедствия.
9.1.1.8. При определении нагрузки от собственного веса элементов конструкций резервуара следует использовать значения номинальной толщины элементов t. При проверке несущей способности элементов конструкций резервуара используются значения расчетной толщины элементов (t-Δtc-Δtm).
9.1.1.9. Нагрузки и их сочетания, используемые при расчете резервуаров, приведены в Приложении П.4.
9.1.2. Учет уровня ответственности
9.1.2.1. Уровень ответственности (класс опасности) резервуаров при расчете прочности и устойчивости основных несущих конструкций должен учитываться снижением расчетного сопротивления стали на коэффициент надежности по ответственности γn, значения которого приведены в таблице 9.1.
Таблица 9.1
| КЛАСС ОПАСНОСТИ | ΓN |
|---|---|
| I | 1,20 |
| II | 1,10 |
| III | 1,05 |
| IV | 1,00 |
9.1.2.2. Определение нагрузок на фундамент резервуара, а также его проверка на опрокидывание должны производиться с исходными технологическими, климатическими и сейсмическими нагрузками, умноженными на коэффициент надежности по ответственности γn.
9.1.3. Учет условий работы
Отклонения условий эксплуатации элементов конструкций от нормальных учитываются коэффициентами условий работы γс, приведенными в таблицах 9.2, 9.3.
Таблица 9.2
| ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ РЕЗЕРВУАРОВ | КОЭФФИЦИЕНТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ΓС |
|---|---|
| Стенка резервуаров при расчете на прочность | по таблице 9.3 |
| Сопряжение стенки с крышей | 1,0 |
| То же, при расчете на устойчивость | 1,0 |
| Стационарные и плавающие крыши | 0,9 |
| Верхние кольца жесткости крыш резервуаров при расчете на прочность и устойчивость | 0,9 |
| Врезки в стенку резервуара | 1,0 |
| Остальные элементы конструкций | 1,0 |
Таблица 9.3
| № ПОЯСА | КОЭФФИЦИЕНТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПОЯСОВ СТЕНКИ, ΓС | |
|---|---|---|
| в условиях эксплуатации | в условиях гидравлических испытаний | |
| 1-ый | 0,7 | 0,9 |
| Все, кроме 1-го | 0,8 | 0,9 |
| Уторный узел | 1,2 | 1,2 |
9.1.4. Учет температуры эксплуатации
Для условий эксплуатации резервуаров при температуре выше плюс 100°С необходимо учитывать снижение расчетного сопротивления стали путем введения коэффициента γt, назначаемого в зависимости от максимальной расчетной температуры металла Т по формулам:
где
[σ]T, [σ]20 – допускаемые напряжения стали при температуре соответственно Т и 20°С, определяемые по ГОСТ Р 52857.1-2007. В случае применения сталей, не указанных в ГОСТ Р 52857.1-2007, допускаемые напряжения [σ]T, [σ]20 принимаются по согласованию с Заказчиком.
9.1.5. Нормативные и расчетные характеристики материалов
9.1.5.1. Нормативные значения характеристик сталей Rуn принимаются по соответствующим ГОСТ и техническим условиям.
9.1.5.2. Расчетные сопротивления сварных соединений следует определять по СНиП II-23-81*.
9.1.5.3. Расчетные сопротивления металлопроката для растяжения, сжатия, изгиба и сдвига следует определять по СНиП II-23-81* с учетом коэффициента надежности по материалу γm, принимаемого равным:
– для сталей по ГОСТ 27772, ГОСТ 19281 (Rу < 380 МПа) – γm = 1,05;
– для сталей по ГОСТ 19281 (Rу ≥ 380 МПа) – γm = 1,1.
9.2 Расчет стенки
Настоящий раздел содержит указания по расчету толщин стенки резервуара для расчетных сочетаний нагрузок 1-3 (таблица П. 4.1 Приложения П.4).
9.2.1 Общие указания
9.2.1.1. Номинальные толщины поясов стенки резервуара назначаются по итогам выполнения следующих расчетов:
а) определение толщины поясов из условия прочности стенки при действии статических нагрузок в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний;
б) проверка устойчивости стенки;
в) проверка прочности и устойчивости стенки при сейсмическом воздействии (в сейсмически опасных районах).
9.2.1.2. Толщины стенки, назначенные в результате расчета по п. 9.2.1.1б, не должны быть меньше толщин, назначенных по п. 9.2.1.1а. Толщины стенки, назначенные в результате расчета по п. 9.2.1.1 в, не должны быть меньше толщин, назначенных по п. 9.2.1.1б.
9.2.1.3. Назначение толщин стенки из условия прочности при статическом нагружении в условиях эксплуатации и гидро- пневмоиспытаний производится в п. 9.2.2 при действии нагрузки от веса хранимого продукта и избыточного давления.
9.2.1.4. Устойчивость стенки при статическом нагружении проверяется в соответствии с требованиями п. 9.2.3 при действии нагрузок от веса конструкций и теплоизоляции, от веса снегового покрова, от ветровой нагрузки и относительного разрежения (относительного вакуума) в газовом пространстве.
9.2.1.5. Прочность и устойчивость стенки при сейсмическом нагружении проверяется в соответствии с требованиями п. 9.6 при действии нагрузок – сейсмической, от веса хранимого продукта, от веса конструкций и теплоизоляции, от избыточного давления, от веса снегового покрова.
9.2.2. Расчет стенки резервуара на прочность
9.2.2.1. Толщины поясов стенки вычисляются по кольцевым напряжениям, определяемым в срединной поверхности цилиндрической оболочки на уровне с координатой xL, в котором радиальные перемещения стенки в пределах пояса являются максимальными.
9.2.2.2. В процессе прочностного расчета стенки учитывается коэффициент надежности для избыточного давления, равный 1,2 для режима эксплуатации и 1,25 для режима гидро- пневмоиспытаний.
9.2.2.3. Номинальная толщина стенки t в каждом поясе резервуара должна назначаться по формулам:
где
По согласованию с Заказчиком допускается принимать xL = 0.
Здесь и далее обозначено:
Индексы U, L относятся к параметрам поясов, примыкающих соответственно сверху и снизу к i-му стыку (рис. 9.1). Расчет производится последовательно от нижнего пояса к верхнему. При вычислении толщины первого пояса следует принять xL = 0.
Допускается использовать толщины поясов tL, полученные по результатам расчета стенки на устойчивость (п. 9.2.3) и сейсмостойкость (п. 9.6).
9.2.2.4. Результаты расчета толщины t для каждого пояса стенки следует округлить до целого числа в большую сторону в соответствии с толщинами проката по ГОСТ 19903-74, если не указаны специальные условия поставки листового проката.
9.2.2.5. Пример расчета стенки резервуаров из условия прочности приведен в Приложении П.5.
9.2.2.6. По согласованию с Заказчиком допускается назначать толщины стенки резервуара на основе конечно-элементного расчета составной цилиндрической оболочки с учетом ее моментного состояния. При этом в расчетную модель должна быть включена окрайка днища, связанная с основанием односторонними связями, не сопротивляющимися отрыву днища от фундамента. Коэффициенты условий работы для поясов стенки в режиме эксплуатации принимаются в этом случае такими же, как для режима гидравлических испытаний.
9.2.3. Устойчивость стенки резервуара
Расчет стенки резервуара на устойчивость выполняется в соответствии с указаниями СНиП II-23-81* и включает проверку толщин поясов стенки, необходимость установки промежуточных ветровых колец, а также назначение мест установки и сечений колец, если таковые требуются.
9.2.3.1. Критерий устойчивости стенки
9.2.3.1.1. Устойчивость стенки резервуара обеспечена при выполнении следующего условия:
9.2.3.1.2. Редуцированная высота стенки вычисляется по формуле:
Показатель степени в формуле для величины Нr может быть изменен в меньшую сторону в случае применения уточненных методик расчета устойчивости цилиндрической оболочки переменной толщины.
При наличии ребра жесткости в пределах i-гo пояса в качестве hi берется расстояние от кромки этого пояса до ребра жесткости. В резервуарах с плавающей крышей для верхнего пояса в качестве hi берется расстояние от нижней кромки пояса до ветрового кольца.
9.2.3.1.3. Коэффициент С0 следует определять по формулам:
9.2.3.1.4. Меридиональные напряжения в i-ом поясе стенки вычисляются следующим образом:
а) для резервуаров со стационарной крышей:
б) для резервуаров с плавающей крышей:
9.2.3.1.5. Кольцевые напряжения в i-ом поясе стенки следует определять по формулам:
а) для резервуаров со стационарной крышей:
σ2 = (0,95·1,2pv + 0,9·0,5kpw) δ.
б) для резервуаров с плавающей крышей:
σ2 = kpwδ,
где
k – коэффициент учета изменения ветрового давления по высоте стенки z, определяемый по табл. 6 СНиП 2.01.07-85*, либо, если 5 м ≤ z ≤ 40 м, по формуле:
k = 0,365 ln (z) + 0,157.
9.2.3.1.6. Если Gt = 0, или pv = 0, или ps = 0 формулы 9.2.3.1.4-9.2.3.1.5 должны быть приведены в соответствие с полученным сочетанием нагрузок.
9.2.3.1.7. Коэффициент fs, учитывающий форму стационарной крыши, принимается равным:
– 0,7 для купольных крыш при ρr < D,
– 0,9 для купольных крыш при D ≤ ρr < 1,1D,
– 1,0 для конических и прочих купольных крыш.
9.2.3.1.8. При невыполнении условия 9.2.3.1.1 для обеспечения устойчивости стенки следует увеличить толщину верхних поясов, или установить промежуточное кольцо (кольца) или то и другое вместе. При этом место установки промежуточного кольца должно обеспечивать равенство величин HrL, HrU, полученных по формуле 9.2.3.1.2 для участков стенки ниже и выше кольца, и быть не ближе 150 мм от горизонтального сварного шва. Если условие HrL = НrU обеспечить невозможно, ветровое кольцо должно быть установлено на расстоянии 150 мм ниже или выше горизонтального сварного шва, для которого разница величин HrL, HrU будет минимальной.
9.2.3.1.9. После установки промежуточного ветрового кольца, участки стенки над кольцом и под ним должны быть устойчивы, то есть должны удовлетворять условию 9.2.3.1.1.
9.2.3.1.10. Допускается расчет на устойчивость стенки резервуара выполнять по формулам, выражающим критерий устойчивости через действующие и критические значения вертикальной (осевой) нагрузки и внешнего давления:
В качестве вертикальной нагрузки N следует принимать расчетное сочетание снеговой, весовой нагрузок и вакуума (при наличии стационарной крыши), передающихся на нижнюю отметку наиболее тонкого пояса стенки резервуара, а при одинаковой толщине нескольких поясов – на нижнюю отметку нижнего из них.
В качестве внешнего давления Р следует принимать расчетное сочетание проектного вакуума и статической составляющей ветровой нагрузки, отнесенной к уровню верха стенки резервуара. Коэффициенты сочетаний нагрузок принимаются по аналогии с пп. 9.2.3.1.4-9.2.3.1.6.
9.2.3.2. Ветровые кольца жесткости на стенке резервуара
9.2.3.2.1. Необходимое сечение ветрового кольца подбирается из условия восприятия изгибающего момента при действии ветрового давления на стенку опорожненного резервуара.
9.2.3.2.2. Требуемый минимальный момент сопротивления сечения верхнего кольца жесткости резервуаров с плавающей крышей должен определяться по следующей формуле:
где коэффициент 1,5 учитывает разряжение от ветра в резервуаре с открытым верхом.
Если верхнее кольцо жесткости приварено к стенке сплошным угловым швом, в момент сопротивления кольца включаются участки стенки с номинальной толщиной t и шириной 15(t – Δtc) вниз и, если возможно, вверх от места установки кольца.
9.2.3.2.3. В случае необходимости установки промежуточного ветрового кольца, оно должно иметь такую конструкцию, чтобы его поперечное сечение удовлетворяло требованиям:
– для резервуаров со стационарной крышей:
– для резервуаров с плавающей крышей:
где Нrmax – редуцированная высота участка стенки выше, или ниже промежуточного кольца (что больше) и определяемая по формуле 9.2.3.1.2.
9.2.3.2.4. В пунктах 9.2.3.2.2, 9.2.3.2.3 нормативное ветровое давление pw следует назначать не менее 1,2 кПа.
9.2.3.2.5. В момент сопротивления промежуточного кольца жесткости можно включать части стенки с номинальной толщиной t и шириной 
выше и ниже места установки кольца.
9.3. Расчет стационарных крыш
9.3.1. Общие положения расчета
9.3.1.1. Элементы и узлы крыши должны быть запроектированы таким образом, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости, регламентируемых СНиП II-23-81*, для всех расчетных нагрузок и их сочетаний, приведенных в таблицах П. 4.2, П. 4.3 Приложения П.4.
9.3.1.2. При расчете учитываются сочетания воздействий, в которых участвуют максимальные значения расчетных нагрузок, действующих на крышу «сверху вниз» (комбинации 1,3, таблица П. 4.2 Приложения П.4):
– от собственного веса элементов крыши в некоррозионном состоянии;
– от веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше;
– от собственного веса теплоизоляции на крыше;
– от веса снегового покрова при равномерном или неравномерном распределении снега на крыше;
– от внутреннего разрежения в газовоздушном пространстве резервуара.
9.3.1.3. В резервуарах, работающих с внутренним избыточным давлением, следует также учитывать сочетание нагрузок, в котором участвуют следующие воздействия (комбинация 2, таблица П. 4.2 Приложения П.4):
а) нагрузки, действующие на крышу «сверху вниз» и принимаемые с минимальными расчетными значениями:
– от собственного веса элементов крыши в корродированном состоянии,
– от веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше,
– от собственного веса теплоизоляции на крыше;
б) нагрузки, действующие на крышу «снизу вверх» и принимаемые с максимальными расчетными значениями:
– от избыточного давления с коэффициентом надежности по нагрузке 1,2;
– от отрицательного давления ветра.
9.3.1.4. Для сейсмоопасных районов строительства в проверку несущей способности элементов крыши необходимо включать расчет на особые сочетания нагрузок (комбинации 4, 5, 6 таблица П. 4.2 Приложения П.4) с учетом сейсмического воздействия, определяемого в соответствии со СНиП II-7-81*.
9.3.1.5. Номинальные толщины и геометрические характеристики листовых и прокатных элементов крыши назначаются с учетом припуска на коррозию в соответствии с п. 7.8 и Приложением П.6.
