Конструирование и основные положения расчета крыши

Крыши вертикальных цилиндрических резервуаров низкого давле­ния могут иметь различные конструктивные формы. Для резервуаров объемом до 5 тыс. м³ применяется коническая щитовая кровля. Щиты состоят из каркасов, выполненных из прокатных или гнутых профилей, и обшивки из стальных листов толщиной 2,5¸3 мм. Опираются щиты на стенку резервуара и центральную стойку, которая помещается внутри резервуара.

Рис. 22.8. Общий вид типового резервуара, изготовленного методом рулонирования, со щитовой кровлей и схема его монтажа

1 – стойка (труба d=630¸7020 мм); 2- центральный щит; 3 – «ловитель»; 4 – кровля; 5 - корпус

На рис. 22.8 показаны общий вид типового резервуара, из­готовляемого методом рулонирования, со щитовой кровлей и схема его монтажа. Полотнище стенки такого резервуара навернуто на шахтную лестницу, а полотнище днища — на центральную стойку.

В резервуарах объемом до 5 тыс. м³ при малой снеговой нагрузке (не более 1500 Н/м²) может быть применена висячая кровля, которая также опирается на центральную стойку резервуара. По расходу металла резервуары с висячей кровлей (рис. 22.9) легче резервуаров с щито­вой кровлей на 10¸15 %.

Рис. 22.9. Стальной вертикальный цилиндрический резервуар объемом 5000 м³ с висячей кровлей

а – общий вид; б – план кровли; в – кольцо жесткости; г – схема кровли; д – зонт стойки кровли

Для резервуаров объемом более 5 тыс. м³ щитовая и висячая крыши с центральной стойкой оказываются экономически неоправданными. В резервуарах объемом 10¸20 тыс. м³ более целесообразно приме­нять покрытия в виде куполов без централь­ной стойки. Их соби­рают из щитов завод­ского изготовления, ук­рупненных в монтаж­ные блоки. Эти блоки одним концом опираются на центральное кольцо, поддерживае­мое в период монтажа временной стойкой, а другим - на опорное кольцо, расположен­ное по периметру стен­ки резервуара.

Рис. 22.10. Схема сферического покрытия резервуара, собираемого из секторных щитов

1- центральное кольцо; 2 – щит; 3 – обвязочное кольцо

На рис. 22.10 показана схема покрытия резервуара объемом 10 тыс. м³, проект которого выпол­нен в ЦНИИПСК им. Мельникова.

В типовых проек­тах резервуаров применяются ребристо-кольцевые купола, состоящие из системы радиальных ребер, связанных кольцевыми элементами, и стальной обшивки толщиной 2,5¸4 мм.

ВНИИМонтажспецстрой совместно с ЦНИИПСК разработали уни­фицированные покрытия, представляющие собой сетчатые купола радиу­сом 60 м, каркас которых состоит из тонкостенных гнутых профилей. Купол собирают из унифицированных заводских щитов. Сетчатая струк­тура каркаса с большой повторяемостью ячеек одинаковой формы поз­волила применить всего 5 типоразмеров щитов для крыш резервуаров в широком диапазоне объемов - от 2000 до 50000 м³, что создает хоро­шие условия для их поточного изготовления.

Рис. 22.11. Схемы унифицированных щитов сферических покрытий для резервуаров объемом от 1 до 50 тыс. м³

Унифицированный заводской элемент представляет собой плоский щит трапециевидной формы, состоящий из листовой обшивки толщиной 3 или 4 мм и двух ребер из тонкостенного гнутого швеллера по боковым граням трапеции (рис. 22.11). Такие элементы на монтаже соединяются в укрупненные щиты. Например, укрупненный щит крыши резервуара объемом 5000 или 10000 м³ состоит из трех унифицированных элементов (соответственно длиной 5 или 6 м), соединенных внахлестку.

Расход металла на унифицированные покрытия снижается до 12%, стоимость - до 13%, трудоемкость изготовления (на поточной линии) - в 1,5¸2 раза по сравнению с аналогичными показателями крыш резер­вуаров, выполненных по типовым проектам.

При расчете крыш резервуаров низкого давления необходимо учиты­вать две комбинации нагрузок, кН/м²:

1) нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: вес конструкций крыши и теплоизоляции, снег, вакуум

2) нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внутреннее из­быточное давление в паровоздушной среде, ветровой отсос, равный 0,8 скоростного напора ветра.

При проверке на вторую комбинацию вес теплоизоляции и снеговая нагрузка не учитываются, а вес самой крыши вычитается из расчетной нагрузки, действующей снизу вверх:

Для резервуаров со щитовой конической крышей расчет несущих радиальных балок выполняется по расчетной схеме простой балки на двух опорах (стенки и центральной стойки), воспринимающей нагрузки на грузовой площади в виде треугольника или трапеции с криволиней­ным основанием по наружному контуру покрытия. Поперечные балки щитов рассчитывают также по схеме простых балок, опирающихся на несущие радиальные балки.

Для резервуаров без центральной стойки щитовая крыша представ­ляет собой распорную конструкцию и расчет сводится к решению од­нажды статически неопределимой системы. Радиальные балки двух диаметрально противоположных щитов принимаются за одну ломаную балку, опирающуюся на стенку резервуара.

Рис. 22.12. Расчетная схема (а) и основная система (б) ломанной балки

На рис. 22.12 приведены расчетная схема и основная система такой балки. Неизвестный распор определяют по формуле

. (22.31)

здесь - грузовой член от всех нагрузок; -сумма единичных перемещений от всех нагрузок, где ; - балочные изгибающие моменты от всех перечисленных нагрузок.

Рис. 22.13. Расчетные схемы

а - безмоментная кровля; б - двухшарнирной арки с условной затяжкой (расчетная схема и основная система); в – арки для определения сечения условной затяжки

В висячих крышах, кроме зон краевого эффекта у внешнего контура и центральной части кровли, изгибающие моменты отсутствуют и крыша работает как безмоментная оболочка отрицательной гауссовой кривизны (рис. 22.13,а). Меридиональные и кольцевые усилия определяют по формулам:

; (22.32)

где , - переменные радиусы кривизны крыши в меридиональном и кольцевом на­правлениях

;

h - высота крыши в центре; ; ; ;

Эффективными крышами являются сферические щитовые покрытия с радиальными ребрами жесткости и кольцом жесткости, расположен­ным по наружному контуру сферы. При расчете на равномерно распре­деленную вертикальную нагрузку покрытие расчленяют на отдельные плоские арки, состоящие из двух диаметрально расположенных криво­линейных щитов. Каждую такую арку рассчитывают как плоскую двухшарнирную арку с условной затяжкой. Расчетные схемы двухшарнирной арки представлены на рис. 22.13, б, в.

Площадь сечения условной затяжки определяется из условия ра­венства ее деформаций деформациям опорного кольца сечением в радиальном направлении по формуле ,где - число ре­бер в куполе.

Задача является однажды статически неопределимой с одним неиз­вестным ,где - распор. За основную систему принимается ар­ка с разрезанной затяжкой, к которой приложена единичная сила (см. рис. 22.13,б). От воздействия силы в арке возникают изги­бающий момент ,продольная сила и поперечная сила , а в затяжке - сила . Неизвестное опреде­ляется из решения канонического уравнения (22.31).

Суммарные значения и в сечении х определяют по формулам:

;

где - пролет арки; , - соответственно балочные изгибающий момент и по­перечная сила; , - соответственно изгибающий момент и поперечная сила от распора .

Конструкция резервуаров с понтоном и с плавающей крышей

Плавающие крыши рационально применять при хранении легкоис­паряющихся жидкостей (сырой нефти, бензина) в резервуарах, распола­гаемых в южном и среднем климатических поясах; в северных районах, где возможны снежные заносы, применяют резервуары со стационарной крышей и понтоном.

Понтон резервуара со стационарной крышей состоит из понтонного кольца, обеспечивающего плавучесть всего понтона, и центральной час­ти из плоских стальных листов. Понтонное кольцо проектируют двух ти­пов: из замкнутых коробов или из открытых отсеков.

Рис. 2.15. Резервуар вместимостью 5000 м³ со стационарной крышей и понтоном:

а – вертикальный разрез; б – план понтона; 1 – стенка; 2- понтонное кольцо; 3 – радиальные гнутые перегородки; 4 – опорные стойки; 5 – мембрана понтона; 6 – направляющие понтона; 7 – патрубок опорной стойки

На рис. 2.15 показан понтон с открытыми отсеками резервуара вместимостью 5000 м³. На круглом днище понтона установлены наружные и внутренние концен­трические стенки, пространство между ними разделено на отсеки ради­альными гнутыми стенками.

Между стенкой резервуара и наружной стенкой понтонного кольца предусматривают зазор шириной 200¸275 мм, для герметизации этого пространства устанавливают уплотняющий затвор жесткого или мягкого типа.

Центральная часть понтона толщиной 4 мм состоит из двух полот­нищ, изготовляемых методом рулонирования. Концентрически и радиально расположенные стенки отсеков приняты из листов толщиной 6 мм, сверху они окаймлены уголком 50 х 4. Наружная стенка отсеков имеет высоту 370 мм, внутренняя - 260.

Понтонное кольцо в нижнем положении опирается на стойки, распо­ложенные в один ряд по окружности, а центральная часть понтона опира­ется на стойки, расположенные по концентрическим окружностям, число которых зависит от объема резервуара. Чтобы предотвратить поворот понтона при его подъеме и опускании под воздействием жидкости, на днище размещают две направляющие трубы, которые наверху свободно устанавливают в патрубки, прикрепленные к покрытию резервуара, а внизу приваривают к днищу.

Понтон плавающей крыши (рис.2.16) состоит из закрытых гермети­чески коробов, образующих замкнутое кольцо, обеспечивающее его плавучесть. Центральная часть плавающей крыши представляет собой тонкую стальную мембрану, приваренную к внутреннему контуру коро­бов. В зависимости от объема резервуара мембрана состоит из двух, че­тырех, шести или большего числа полотнищ заводского изготовления, сваренных между собой внахлест. Для обеспечения стока дождевой во­ды мембране придается уклон к ее центру. Удаление воды с крыши про­изводят через гибкий шланг или шарнирную трубу, прикрепленную к центру мембраны снизу и снабженную поворотными шарнирами. Резер­вуары с плавающей крышей имеют люки, лазы, предохранительные и вакуумные клапаны, размещенные на крыше. Для обслуживания резер­вуара предусматривают внутреннюю катучую лестницу, нижний конец которой перемещается по специальной опорной балке (ферме), закреп­ленной на крыше. Верхний конец лестницы шарнирно прикреплен к стенке резервуара. Снаружи резервуара для обслуживания плавающей крыши устанавливают шахтную лестницу. Для придания открытой сверху стенке резервуара необходимой жесткости в пределах ее верхне­го пояса устанавливают кольцо жесткости, которое одновременно явля­ется и ходовой площадкой.

Рис. 2.16. резервуар вместимостью 10 000 м3 с плавающей крышей

Закрытые герметические короба понтонов проектируют размерами, приемлемыми для транспортировки. Короба изготовляют в кондукторе на заводе, что обеспечивает высокую технологичность их монтажа. В ка­ждом отдельном элементе кольца обычно располагают три ребра, одно или два из которых выполняют в виде решетчатых ферм или рамы с замк­нутым контуром и одно из сплошного гнутого листа, в которое вваривают патрубок для пропуска стойки. Сплошные ребра разделяют понтонное кольцо на изолированные отсеки.

Для уменьшения кинематических перемещений мембраны плаваю­щей кровли ее укрепляют радиальными ребрами жесткости из гнутых листов и пригружают коробами с песком. В резервуарах больших объе­мов пригруз мембраны осуществляют по всей ее площади. С той же це­лью плавающие крыши резервуаров подкрепляют ветровыми кольцами.

Опорные стойки делают плавающими трубчатого сечения. Обычно нижнее положение понтона предусматривают на отметке 1,8 м, поэтому стойки имеют различную длину, связанную с их расстоянием от центра мембраны и принятого уклона мембраны и днища резервуара.

Расчет плавающей крыши (понтона) сводится к определению высоты ее коробов и положения ватерлинии.