Высокие вертикальные аппараты как, например, испарители, ректификационные колоны, реакторы и другие, устанавливающие на отрытом воздухе, должны рассчитывать на устойчивость под действием ветровой нагрузки.
Расчет опорных частей вертикальных аппаратов на устойчивость сводится:
- к определению размеров опорного (фундаментного) кольца;
-количества и диаметра фундаментных болтов;
- проверки устойчивости цилиндрической опоры;
-прочности сварного шва t, соединяющую опору с рабочей частью корпуса.
Предполагается, что высота и диаметр аппарата уже определены, предварительные данные о конструкции опоры (обычно опорные обечайки) известны и рабочий эскиз крепления опоры к фундаменту составлен. После этого приступает к расчету аппарата на совместное действие сил тяжести и ветровых нагрузок.
Вес самого аппарата, вес конструкции, опорных на колону, вес изоляции и жидкости при гидравлическом испытании создает вертикальную сжимающую силу. Ели имеются консольное закрепление элименты конструкции, то необходимо учитывать также появление изгибающих моментов.
|
|
Изгибающий момент также возникает при давление ветра. Он достигает свое максимальное значение у основание колоны. Сила ветра характеризуется удельным ветровым напором, измеряемым в Н/м2.
Обозначим его через удельный ветровой напор определяется в зависимости от географического района и высоты расчетного участка колонны над уровнем земли. Географических районов 7, они определяются по специально разработанной корте, приложенной к строительным нормам и правилам (СНиП, ч.2, раз.А, гл.11).
Удельный ветровой напор определяется по данным таблицы, которую мы сейчас запишем.
Высоте над поверхностью земли | До 10 м | 20м | 40м | 100м |
Географический район | ||||
Пользуясь этими данными находят для разных высотных отметок колонны и строят эпюру ветрового давления. При отношении высоты аппарата к его диаметру Н/Д ≥ 15, колонну расчитывают как консольную балку, нагруженную одновременно распределенной ветровой нагрузкой, действующей на корпус колонны, и сосредоточенными силами, которые являются равнодействующими сил ветрового давления на отдельные элементы конструкции (лестницы, площадки, теплообменники и т.д.). (рис.см. конспект)
Для определения момента от распределительной ветровой нагрузки эпюру разбивают на ряд трепецивидных участков и находят равнодействующую каждого участка и точку ее приложения. Для вычисления равнодействующей используют формулу:
|
|
Рі = і Сі qB Di Hі', (1)
где і – коэффициент увеличения ветрового напора врезультате динамического воздействия, вызванного порывами ветра;
Сі - аэродинамический коэфициент обтекания (для круглых аппаратов СО = 0,6); коэффициент лобового сопротивления для плоских стенок = 1.4;
Di - наружный диаметр колонны (с учетом тепловой изоляции),м;
Hі' - высота расчетного участка, м (произведения Di Hі' представляет собой площадь вертикальный проекции расчетного участка);
q – среднее значение удельного ветрового напора, Н/м².
Ветровую нагрузку на лестнице, площадки и т.п. металлоконструкции можно найти приближенно, для чего вводится так называемый коэффициент обтикания С'О = СО φО,
где =1.4 – коэффициент обтекания для решетчатых форм;
= 0.3 0.36 - коэффициент заполнения формы металлоконструкциями.
Коэффициент увеличения ветрового напора находят на формуле:
і = 1 + ζ mi,
где ζ – коэффициент динамичности, который зависит от периода собственных колебаний аппарата находят по графику:
Если Т ≤ 0.25 сек., то ζ = 1 и при расчете не учитывается.
– коэффициент пульсации скоростного напора принимаемый по таблице.
Высота для которой определяется коэффициент пульсации скоростного напора | До 20м | 40м | 60м | 80м | 100 – 200м |
Значение m | 0.35 | 0.32 | 0.28 | 0.25 | 0.21 |
Для определения критической скорости ветра, при которой появоляются резонансные колебания, необходимо рассчитать период собственных колебаний цилиндрического аппарата постоянного сечения по приближенной формуле:
(сек), где, тогда
Т = 1,8 H,
где - высота аппарата, м;
Т – период собственных колебаний,сек
- максимальная сила тяжести аппарата, Н;
Е – модуль упругости материала корпуса аппарата, Н/м²;
g – ускорение силы тяжести, м/с;
I – момент инерции поперечного сечения стенки аппарата, м……
m – масса аппарата.
Тогда ветровой момент определяют по формуле:
где =
,……– равнодействующие силы отдельных участков колонны и элементов конструкции;
, …. - высота участка аппарата.
Либо ветровой момент можно представить в таком виде:
Нахождение напряжения в кольцевом сечении цилиндрической обечайки аппарата от действия Qmax и MB.
Таким образом, мы определяем суммарный ветровой момент и вертикально направленную суммарную сжимающую силу. Теперь необходимо проверить корпус аппарата на действие этих нагрузок. Максимальное напряжение, будет, очевидно с подветренной стороны, когда суммируются веторвой момент и сжимающая сила:
И, где
F = (S-C) =
где F – площадь кольцевого поперечного рассматриваемого сечения корпуса аппарата, м²;
W – момент сопротивления поперечного рассматриваемого сечения корпуса аппарата, м³;
Qmах - максимальная возможная нагрузки от силы тяжести в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний, МНм;
Мв – ветровой опрокидывающий момент, Н·м.
S - выбранная толщина стенки цилиндрической части аппарата, м; без учета коррозии;
SR – расчётная толщина стенки цилиндрической части аппарата;
DСР –серединный диаметр цилиндрической части аппарата;
С – прибавки на коррозию, учитывается только атмосферную коррозию, если нет конкретных свединей о коррозии, то обычно принимается равной 2 мм;
[ ]и - допускаемое напяжение изгба для материала корпуса аппарата.
Подставим значения FОП и WОП вышестоящую формулу, определим суммарные напряжения от дейсвия сжимающей силы и ветрового изгибающего момента:
где DСР – средний внутренний диаметр корпуса аппарата, м;
[ ]и - допускаемое напяжение изгба для материала корпуса аппарата при расчётной температуре.
Если условие не выполняется, то необходимо увеличить толщину стенки в проверяемом сечении методом последовательного приближения пока условия не выполнятся.
|
|