Конструкция и расчет покрытий резервуаров

3.8.1 Конструкция и расчет стационарных крыш резервуаров

Конструкции стационарных крыш подразделяются на типы: [11]

— стальная самонесущая бескаркасная коническая крыша, несущая способность которой обеспечивается конической оболочкой настила;

— стальная самонесущая бескаркасная сферическая крыша, несущая способность которой обеспечивается вальцованными элементами настила, образующими поверхность сферической оболочки;

— стальная каркасная купольная крыша, состоящая из элементов каркаса и настила;

— стальная каркасная купольная крыша, состоящая из элементов каркаса, свальцованных по радиусу сферической поверхности, и настила;

— каркасная коническая или сферическая крыша из алюминиевых сплавов.

Все крыши по периметру опираются на стенку резервуара с использованием кольцевого элемента жесткости. Минимальный размер кольцевого уголка должен быть не менее 63×5 мм. Минимальная толщина элементов принимается равной 4 мм с учетом надбавки на коррозию в зависимости от условий эксплуатации, срока службы и скорости коррозии. [3]

Стальная самонесущая бескаркасная коническая крыша представляет собой гладкую коническую оболочку, неподкрепленную радиальными ребрами жесткости. Геометрические параметры крыши должны удовлетворять требованиям:

— максимальный диаметр крыши в плане – 12,5 м;

— минимальный угол наклона образующей крыши к горизонтальной поверхности должен составлять 15º, максимальный угол наклона - 30º.

Номинальная толщина оболочки крыши должна определяться расчетом на устойчивость и должна быть не менее 4 мм, и не более 7 мм. При недостаточной несущей способности (при номинальной толщине более 7 мм) подкрепляется кольцевыми ребрами жесткости, которые устанавливаются с наружной стороны. Оболочка крыши изготавливается в виде полотнища из одной или нескольких частей.

Стальная самонесущая бескаркасная сферическая крыша представляет собой сферическую оболочку. Радиус кривизны крыши должен находиться в пределах от 0,8 до 1,2 диаметра стенки резервуара. Диапазон применения резервуары до 5000 м³ с диаметром не более 25 м. Номинальная толщина оболочки крыши определяется расчетом на прочность и устойчивость, но должна быть не менее 5мм. Поверхность сферической крыши может быть выполнена из лепестков двоякой кривизны (вальцованных в меридиональном и кольцевом направлении), а также имеющих кривизну только в меридиональном направлении.

Стальная каркасная коническая крыша устанавливается на резервуары диаметром от 10 до 25 м. Угол наклона образующей крыши к горизонтальной поверхности выполняется с уклоном от 1:12 (4,76º) до 1:6 (9,46º). Крепление настила крыши по периметру осуществляется через обвязочный элемент жесткости. Конструкция крыши выполняется в следующих вариантах:

— в виде щитов заводского изготовления, состоящих из соединенных между собой элементов каркаса и приваренного к ним настила;

— в виде отдельных элементов каркаса и настила, привариваемого только по периметру крыши с дополнительными связями жесткости, располагаемыми в плоскости каркаса, и количеством элементов не менее двух.

Стальная каркасная купольная крыша представляет собой радиально-кольцевую конструкцию, образующую сферическую поверхность и рекомендуются к применению для резервуаров диаметром свыше 25 до 50 м включительно. Геометрические параметры крыши следующие:

— радиус кривизны сферической поверхности крыши должен быть в пределах от 0,8 до 1,5 диаметра резервуара;

— номинальная толщина настила не менее 5 мм.

Конструкция стальных каркасных купольных крыш выполняется в следующих вариантах:

— в виде щитов заводского изготовления, состоящих из соединенных между собой элементов каркаса и приваренного к ним настила;

— в виде отдельных элементов каркаса и настила, привариваемого только по периметру крыши с дополнительными связями жесткости. Количество секторов определяется расчетом и должно быть не менее четырех.

Настил крыш может быть выполнен из отдельных листов, крупногабаритных карт, рулонированных полотнищ. Крыша опирается на стенку резервуара с помощью опорного кольца или усиливающего кольца на верхнем утолщенном поясе стенки под углом равным углу наклона крыши.

Предельно допустимые отклонения размеров и формы смонтированной крыши резервуара представлены в таблице 3.24. [3]

Таблица 3.24 - Предельно допустимые отклонения размеров и формы крыши

Наименование параметров	Предельные отклонения при диаметре резервуара, мм
До12 м	Св.12 до 25 м	Св.25 до 40 м	Свыше 40 м
Отметка верха конических и сферических крыш	±30	±50
Разность отметок смежных узлов верха радиальных балок и ферм: — в зоне сопряжения со стенкой; — в зоне сопряжения с центральным щитом; — в зоне стыковки радиальных балок сферических крыш.
Отклонение от проектного радиуса сферических крыш. Просвет между шаблоном и гнутой поверхностью

Элементы и узлы крыши должны быть спроектированы таким образом, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости для всех расчетных нагрузок и их сочетаний. При расчете учитывается первое основное сочетание нагрузок, которые действуют на крышу «сверху вниз»:

— от собственного веса элементов крыши;

— от веса стационарного оборудования и площадок обслуживания на крыше;

— от собственного веса теплоизоляции на крыше;

— от веса снегового покрова при симметричном и несимметричном распределении снега на крыше;

— от внутреннего разрежения в газовоздушном пространстве резервуара с коэффициентом надежности по нагрузке γ_t.

В резервуарах, работающих с избыточным внутренним давлением, учитывается второе основное сочетание нагрузок, в котором участвуют:

нагрузки, действующие на крышу «сверху вниз» и принимаемые с минимальными расчетными значениями:

— от собственного веса элементов крыши;

— от веса стационарного оборудования на крыше;

— от собственного веса теплоизоляции на крыше,

нагрузки, действующие на крышу «снизу вверх», и принимаемые с максимальными расчетными значениями:

— от избыточного давления с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f равным 1,2;

— от отрицательного давления ветра.

При проверке несущей способности элементов крыши учитывается коэффициент надежности по назначению γ_с. Коэффициент условий работы γ_с при расчете элементов крыши принимается равный 0,9.

В каркасных крышах обычного (не взрывозащищенного) исполнения элементы каркаса необходимо проверить на прочность при действии нагрузок основного сочетания. Учитывается совместная работа элементов каркаса и листового настила.

В расчетах бескаркасных стационарных крыш расчетное значение толщины настила определяется из условия устойчивости формы оболочки при первом основном сочетании нагрузок. Узел сопряжения крыши рассчитывается на прочность при действии кольцевого растягивающего усилия, возникающего от нагрузок первого основного сочетания.

В резервуарах, работающих с избыточным давлением, узел сопряжения крыши со стенкой проверяется на устойчивость в случае действия кольцевого сжимающего усилия, возникающего от нагрузок второго основного сочетания.

В расчетное сечение узла сопряжения крыши со стенкой необходимо включать кольцевой элемент жесткости, а также прилегающие участки крыши и стенки.

При расчете каркасных стационарных крыш обычного исполнения элементы каркаса должны быть проверены на прочность при действии нагрузок основного сочетания. В расчетах следует учитывать совместную работу элементов каркаса и листового настила. Проверка несущей способности узла сопряжения крыши со стенкой производится аналогично расчетам бескаркасной крыши.

В каркасных крышах взрывозащищенного исполнения элементы каркаса проверяют на прочность и устойчивость при действии нагрузок первого и второго основных сочетаний. Листовой настил не включается в расчетную схему, но учитывается в постоянной нагрузке от собственного веса элементов крыши. Проверка несущей способности узла сопряжения крыши со стенкой производится аналогично расчетам бескаркасной крыши.

Основные положения расчетов стационарных крыш предполагают, что номинальная толщина самонесущей конической крыши определяется из условия устойчивости оболочки

(3.116)

где α – угол наклона конической крыши к горизонтальной поверхности в градусах.

Расчетная нагрузка на крышу, кПа

(3.117)

При расчете узла сопряжения крыши и стенки в расчетное сечение включается кольцевой элемент жесткости, а также прилегающие участки крыши и стенки.

Узел сопряжения крыши со стенкой рассчитывается на прочность при действии кольцевого растягивающего усилия. При этом размеры поперечного сечения должны удовлетворять условиям

(3.118)

где А – выделенная площадь поперечного сечения уторного узла крыши. Размеры включенных в расчет участков стенки и настила крыши определяются

(3.119)

(3.120)

где L_s – размер участка стенки; L_r – размер участка настила; t_ro – номинальная толщина настила самонесущей конической крыши.

В резервуарах, работающих с внутренним избыточным давлением, узел сопряжения крыши со стенкой проверяется на устойчивость в случае действия кольцевого сжимающего усилия. При этом размеры поперечного сечения должны обеспечивать выполнение условия

(3.121)

где J_у – момент инерции расчетного поперечного сечения относительно вертикальной оси «у-у», совпадающей с осью стенки.

Рис. 7 Соединения конической крыши со стенкой

Минимальная расчетная толщина полотна t_k конической крыши по условию устойчивости без припуска на коррозию определяется по формуле

, (3.122)

где р - расчетная нагрузка, кг/м²; E - модуль упругости стали, МПа; угол крыши с горизонтальной плоскостью, в градусах.

Расчетная нагрузка определяется по формуле

, (3.123)

где g_m - вес 1 м2 листа крыши;g _y - вес 1 м² утеплителя; S - полное нормативное значение снеговой нагрузки, Па; p_вак - величина относительного разряжение в резервуаре под крышей, Па.

Формула применяется при α ≤ 30º и при выполнении условия

(3.124)

Условие проверяется после вычисления первого приближения для . Так как расчетная нагрузка зависит от неизвестной толщины , в качестве начального приближения может быть принята минимальная номинальная толщина, равная 4 мм с учетом припуска на коррозию.

Полное нормативное значение снеговой нагрузки определяем по формуле

(3.125)

где S₀ - нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли; коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.

Массу конструкции определяем по формуле

(3.126)

Узел крепления крыши к верху стенки может быть выполнен по одному из вариантов, представленных на рисунке 7 и рассчитывается на кольцевое растягивающее усилие N_k, под углом к горизонту по формуле

(3.127)

У резервуара, работающего с избыточным внутренним давлением, узел крепления крыши к верху стенки рассчитывается на кольцевое сжимающее усилие

(3.128)

Деформации не должны превышать допускаемые значения:

, (3.129)

где I - момент инерции радиального прогона с учетом толщины участка настила, который приварен к верхней полке прогона; l - длина окружности покрытия, м.

Выразив из формулы значение I, получаем:

(3.130)

Следовательно, подставив I в неравенство, получаем, что условие выполняется.

Элементы и узлы каркасной крыши проектируются с условием, чтобы максимальные усилия и деформации в них не превышали предельных значений по прочности и устойчивости, регламентированных СНиП. Каркасные крыши представляют собой систему радиальных и кольцевых балок. Количество радиальных балок n_r определяется по конструктивным соображениям с учетом неравенства

(3.131)

Результаты округляются до числа, кратного четырем.

Расчет крыш производить с использованием метода конечных элементов. Расчетная схема должна включать все несущие стержневые (каркас) и пластинчатые элементы (настил), предусмотренные конструкцией. Если листы крыши не приварены к каркасу, то в расчетную схему крыши не включаются, но учитываются в весовых характеристиках. Для каркасных крыш щитового исполнения (с приваренным к каркасу настилом) пластинчатые элементы допускается включать в расчетную схему на основе моментной теории.

Для каркасных взрывозащищенных крыш должны выполняться условия: [2]

— D ≥ 15 м;

— D ≥9,46º (уклон крыши меньше или равен 1:6);

— крыша должна крепиться к опорному уголку односторонним угловым швом с катетом не более 5 мм;

— конструкция узла сопряжения стенки и крыши должна правилам;

— площадь сечения должна удовлетворять неравенству

—

(3.132)

Рис. 8. Узел сопряжения самонесущих конических и купольных крыш со стенкой резервуара

Рис. 9. Узел сопряжения каркасных конических и сферических крыш со стенкой резервуара

3.8.2 Расчет торосферической крыши резервуара

Нагрузки, действующие на сферическое покрытие резервуара определяются также, как и в предыдущем случае. Покрытие в целом представляет собой каркас, по которому уложен и приварен настил. Можно считать, что каркас покрытия состоит из геометрически неизменяемых ячеек, а в целом покрытие – пространственная ферма. [1]

Сбор нагрузок:

(3.133)

(3.134)

Проверяем срединную часть оболочки на прочность. Предварительно задавшись толщиной листов кровли:

(3.135)

Проверяем срединную часть оболочки на устойчивость:

(3.136)

Проверяем оболочку в месте примыкания ее к стенке по устойчивости:

(3.137)

Окончательно принимаем толщину кровли.

3.8.3 Конструкция и расчет купольных крыш из алюминиевых сплавов

Купольная крыша должна обладать прочностью и устойчивостью к внешним нагрузкам: сейсмической, ветровой и снеговой нагрузкам, а также изменениям температуры воздуха и продукта в резервуаре (СНиП 2.01.07-85, СНиП 23-01-93).

Купольная крыша является ограждающей конструкцией резервуара и должна быть водонепроницаемой и обеспечивать вентиляцию подкупольного пространства. В случае установки купольной крыши на резервуаре без понтона купольная крыша должна выдерживать избыточное давление а резервуаре 2,3 кПа и вакуум 0.4 кПа в соответствии с РД-153-39.4-056-00. технические решения конструкций крыш должны обеспечивать эксплуатацию расположенных на ней технических устройств (патрубков, люков и т.д.) которые должны располагаться рядом с кольцевой обслуживающей площадкой. Огнестойкость алюминиевых конструкций купола и понтона имеет степень ΙΙ, ΙΙΙ. Предел огнестойкости RE 15 (СНиП 21-01-97). [4]

Купольные крыши проектируются сферической формы:

— минимальный радиус сферической поверхности равен 0,8D;

— максимальный радиус – 1,5D, где D – внутренний диаметр резервуара по ПБ 03-605-03.

Несущей конструкцией купольной крыши является сетчатый каркас из стержней специального или стандартного профиля. Количество поясов определяется в зависимости от геометрических размеров сферы, которая разбивается на треугольные ячейки (панели) с минимальным количеством типоразмеров. Высота ячейки пояса должна быть 2,2-3 м. [4]

Опирание купольной крыши на резервуар производится через опорные кронштейны купола на стальное опорное кольцо или опорные столики на стенке. После монтажа на стальные элементы купола наносится антикоррозионное покрытие в соответствии с требованиями РД 413160-01-01297858-02.

Стальное опорное кольцо воспринимает окружные усилия распора от купольной крыши и при проектировании принимается:

— для стальных резервуаров крепление кольца к стенке резервуара на сварке, с установкой косынок в местах опор и между ними;

— для ЖБР крепление кольца к стенке производить на анкерных болтах по ГОСТ 1759.4-87;

— размеры опорного кольца определяются расчетом;

— общая устойчивость купола должна обеспечиваться конструкцией каркаса в сочетании с конструкцией узловых соединений.

Количество опорных кронштейнов купола должно определяться из конструктивной схемы сетки каркаса, имеющей наибольшее количество опор для более равномерного распределения нагрузки на стенку резервуара. Опорные кронштейны проектируют из стали, с креплением к опорному кольцу на сварке или на болтах, количество болтов определяется расчетом, но не менее 4 шт. на одной опорной части стойки. Диаметр болтов принимать не менее 24 мм по ГОСТ 1759.4-87.

Крепление стержней (балок) меду собой осуществляется накладками, на болтах класса прочности не ниже 10,9 или болтах с отжимными кольцами (лок-болтах), принимая расстояние между болтами и от центра отверстия до края элемента согласно таблице 45 СНиП 2.03.06-85. Количество болтов и соединений определяется расчетом.

Конструктивно стержни (балки) каркаса выполняют из прессованных профилей двутаврового или коробчатого сечения. Высота балок и ширина их полок определяется расчетом.

Панели обшивки купола должны иметь толщину не менее 1,2мм. Сварка полотнища панелей обшивки должна применяться в крайних случаях с подтверждением гарантийного срока эксплуатации не менее 50 лет и должна выполнятся встык на заводе изготовителе, нахлесточные соединения не допускаются. Панели обшивки крепятся к стержням (балкам) при помощи прижимных планок на саморезающих болтах из нержавеющей стали с шагом 150-250 мм. Панели обшивки должны выдерживать снеговую и ветровую нагрузку без образования прогиба (пластических деформаций).

В стальных и железобетонных резервуарах с понтоном алюминиевые купольные крыши должны быть оборудованы:

— световыми (смотровыми) люками – не менее трех, расстояние между ними не более 20 м;

— люком монтажным – одним, размером не менее 800×900 мм над приемо-раздаточным патрубком;

— вентиляционными патрубками (люками) равномерно расположенными по периметру на расстоянии не более 10 м друг от друга (но не менее двух), и не менее одного патрубка в центре. Общая открытая площадб отверстий этих патрубков, расположенных равномерно по периметру в нижнем поясе купола или вентиляционных окон (продухов), у опорного кольца, должна быть больше или равна 0,06 м² на 1 м диаметра резервуара;

— патрубками под сигнализаторы аварийного уровня Dу 150 в количестве трех штук.

Таблица 3.25 - Оборудование резервуара с купольной крышей из алюминиевых сплавов

Наименование

Объем резервуара, м3

РВС

РВС

РВС

РВС

РВС

ЖБР

Люк монтажный 800×900

Люк замерный

Люк световой (смотровой)

Патрубок вентиляционный центральный

Патрубок вентиляционный периферийный

По расчету согласно ПБ 03-605-03

Измеритель объема

Огнепреградитель в верхней части нправ ляющей

В зависимости от количества направляющих

Направляющие, не менее

Система орошения (кольца орошения)

Число колец определяется расчетом

Термометр средней температуры

Сигнализатор максимального аварийного уровня

Термометр

Извещатели пожарные

8\10

16\18

Люк-лаз

-

-

-

-

-

Для герметизации соединений панелей обшивки купола с несущими балками применяются уплотняющие резинотехнические изделия специального профиля, силиконовые герметики или другие герметизирующие материалы, сохраняющие эластичность в диапазоне температур от -50ºС до +100ºС и стойкие к воздействию озона, ультрафиолетового излучения и паров хранимого продукта.

Узловые колпаки принимают диаметром на 20-40 мм меньше диаметра узловой накладки.

Отверстия вентиляционных патрубков или вентиляционных продухов должны быть закрыты сеткой из нержавеющей стали с ячейкой 10×10 мм и предохранительным кожухом для защиты от атмосферных осадков. В месте прохождения трубопроводов через купольную крышу, в панели обшивки устанавливается защитный фартук (бордюр) высотой не менее 100 мм для защиты от попадания атмосферных осадков внутрь резервуара.

Световые люки (фонари) в купольной крыше должны быть круглыми диаметром не менее 500 мм, или другой формы с площадью просвета не менее 0,2 м². Толщина панелей люков из прозрачного материала не менее 6 мм.

Смотровые люки в купольной крыши должны быть круглыми с диаметром не менее 500 мм, или другой формы с площадью просвета не менее 0,2 м². На крышках смотровых люков предусматриваются устройства для надежного запирания и удерживания крышки в открытом положении от самопроизвольного ее закрытия. Под крышкой люка устанавливается решетка для предотвращения падения на понтон крупных предметов.

Корпуса люков должны выступать над поверхностью купольного покрытия на высоту не менее 100 мм. Допускается совместное устройство светового люка и вентиляционного патрубка в одном корпусе.

Конструкция заземлителя купольной крыши должна соответствовать требованиям.

Для обслуживания оборудования, расположенного на купольной крыше, предусматриваются площадки с ограждениями, опирающимися на стенку резервуара. От одной из площадок должна быть проложена лестница с ограждениями для обслуживания центрального вентиляционного патрубка, изготовленная из фасонного или листового проката из алюминиевых сплавов или стального проката, покрытого методом горячего цинкования.

Алюминиевые конструкции рассчитываются как единые пространственные системы с учетом факторов, определяющих напряженное и деформированное состояние, геометрической и физической нелинейности, пластических свойств материалов в соответствии с требованиями, установленными стандартами для выбранных материалов. Алюминиевые конструкции и их расчет должен удовлетворять требованиям ГОСТ 27751-88 и СНиП 2.03.06-85.

Расчет алюминиевых конструкций следует выполнять по предельным состояниям первой группы (на прочность и устойчивость).

В основу расчета положен метод конечных элементов с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы. В связи с этим идеализация конструкции выполнена в форме, приспособленной к использованию этого метода, а именно: система представлена в виде набора тел стандартного типа (стержней, оболочек), называемых конечными элементами и присоединенных к узлам.

Узел в расчетной схеме метода перемещений представляется в виде абсолютно жесткого тела исчезающе малых размеров. Положение узла в пространстве при деформациях системы определяется координатами центра и углами поворота трех осей, жестко связанных с узлом. Узел представлен как объект, обладающий шестью степенями свободы - тремя линейными смещениями и тремя углами поворота.[28]

Основная система метода перемещений выбирается путем наложения в каждом узле всех связей, запрещающих любые узловые перемещения. Условия равенства нулю усилий в этих связях представляют собой разрешающие уравнения равновесия, а смещения указанных связей - основные неизвестные метода перемещений. В случае пространственной конструкции в узле присутствуют все шесть перемещений:

1 - линейное перемещение вдоль оси X;

2 - линейное перемещение вдоль оси Y;

3 - линейное перемещение вдоль оси Z;

4 - угол поворота с вектором вдоль оси X (поворот вокруг оси X);

5 - угол поворота с вектором вдоль оси Y (поворот вокруг оси Y);

6 - угол поворота с вектором вдоль оси Z (поворот вокруг оси Z).