автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Методология оптимального прочностного проектирования фундаментов нефтяных резервуаров на вечномерзлых грунтах

и û ^ -

pocy.îlapctbeifflah ордена okthffbckofl революции и ордена трудового красного знамени академия нефти и газа имени и.м. губкина

На правах рукописи УДК 622.692.23:622.692.072

сердитом нина александровна

методология оптимального прочностного проектирования фундаментов нефтяных резервуаров на вечнокерзлык грунтах

Спеггиальность 05.15.13 "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата тэхническлх наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Государственной ордена Октябрьской Революций и ордена трудового Красного Энамеги академии нефти и газа имени И.М.Губкина.

Научные руководители :

доктор технических наук, профессор Синюкор A.M. доктор технических наук, профессор Шутов В.Е. Официальные оппоненты ;

доктор технических наук, профессор Козобков A.A. кандидат технических наук, с.н.с. Щербаков А.Г. Ведущее предприятие :

Производственное объединение северных магистральных нефтепроводов

Защита состоится " 2k " и*ртд 1992 года в ik часов на заседании Специализированного Совета Д.053.27.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.13 "Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, _баз и хранилищ" при Государственной академии нефти и газа имени И.М.1убкина по адресу : 117917,Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина

Автореферат разослан " ¿У "

Г.Г.Васильев

I

общая характеристика работн

- : инП'

Актуальность работы. В настоящее время в связи о обустройством большого количества нефтяннх и газовых месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера накоплен значительный опит строительства вертикальных стальных цилиндрических резервуаров для нефти и несЬтепродуктов, но вопрос выбора наилучшего для конкретных условий строительства проектного решения до сих пор остается открытым. Повыиенная трудоемкость строительных работ в условиях вечной мерзлоты и более высокая стоимость строительства требуют использования тех проектных решений, которые содержат большое количество элементов заводского изготовления к в которых более эффективно используются прочностные и деформационные свойства материалов.

Необходимым условием строительства на Севере является также обеспечение очень высокой надежности строящихся сооружений, так как выход их строп некоторых из них, в частности, резервуаров для нефтепродуктов, входящих в состав складов горюче-смазоч-ннх материалов, по ущербу, наносимому окружающей природа, можно классифицировать как экологическую катастрофу. Зачастую объект» из - за отсутствия подъездных путей з летнее время являются неремонтопригодными .

При строительстве объектов высокой заводской готовности, таких, как вертикальные стальные цилиндрические резервуары для нефтепродуктов, все изложенные требования в первую очередь относятся к фундаментам.

Вопроса.» расчетов фундаментов посвящено достаточно большое количество работ, однако немногие из них могут быть трансформированы к расчету (Уундаментов резервуаров. В основном - это ра-

Öotu Сафаряна M.K., Ручимского Н.Б., Шутова В.Е., Коновалова П.П. и др. При этом, ни в одной из работ не освещен вопрос оптимального прочностного проектирования фундаментов резервуаров. Под оптимальным понимаем фундамент болео надежный в эксплуатации и, одновременно, менее материалоемкий и монее трудоемкий в изготовлении.

И если выполнить сравнение конструкций по материалоемкости и трудоешости изготовления на стадии проектирования не представляет особого труда, то определить их надежность - задача в настоящий момент трудновыполнимая.

Проектировщики руководствуются методом расчета строительных конструкций по предельным состояниям, который истолковывает ненаступление ни в одном из элементов конструкции предельных состояний как показатель абсолютной надежности. Наступление же предельного состояния в каком - либо элементе конструкции этот метод трактует как абсолютную ненадежность конструкции, несмотря на то, что выход из строя того или иного элемента не всегда ведет к нарушению условий эксплуатации сооружения.

Таким образом, существующая методика расчета строительных конструкций не позволяет выполнить оценку надежности фундамента на стадии проектирования,а, следовательно, и выбрать оптимальное конструктивное решение.

Существующие ныне' нормативные документы допускают вероятностный подход к расчету строительных конструкций, в том числе оснований и фундаментов. Более того, метод расчета по предельным состояниям учитывает статистическую изменчивость физико-механических свойств используемых в конструкции материалов, грунтов ^'внешних нагрузок и воздействий. Тем не менее, методика СНнЯ дает завышенное значение тех параметров сооружения, от которых

1эвисит надежность, что приводит к необоснованному .удорожанию ¡бъектоБ строительства. Недостаток исследований и этой области I предопределил актуальность работы.

Цель работы - создание методологии оптимального прочностного проектирования фундаментов нефтяных резервуаров на вечномерз-шх грунтах.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной ¡елъю и имеющимися разработками в данной области сформулированы злвдугацие задачи собственного исследования :

- анализ существующих (используемых в проектах) и предлагаемых

;изобретения) и выбор наиболее рациональной конструктивно - компоновочной схемы 1ККС) фундамента резервуара ;

- обоснование метода детерминированного прочностного расчета несущих элементов ККС и выполнение его ;

- составление структурной схемы надежности 1ССН) фундамента и выполнение сравнительной оценка проектов по параметру конструктивной надежности - вероятности безотказной работы 1ББР) ;

- анализ падения общей ВБР Фундамента при выходе из строя свай и определение момента вывода резервуара в ремонт ;

- разработка рекомендаций, позволяющих поддерживать ВКР общего свайного поля фундамента на любом промежуточном (в том числе и проектном)уровне надежности.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые :

- предложена методология выбора оптимального проекта фундамента по критерию конструктивной надежности ;

- разработаны основы выбора и оптимизации структурных схем на-дежноети (ССН) фундаментов, резервуаров ;

- произведена трансформация методов прочностного■расчета применительно к статистическому моделированию несущих элементов фундаментов резервуаров исследуемого типа ;

- создана методология прогнозирования на этапа проектирования потери работоспособности резервуара в процессе эксплуатации по

г

мере выхода из строя свай ;

- разработаны рекомендации по поддержанию нацежности фундамент! в процеесе эксплуатации гри выходе из строя свай на требуемом

в том числе и проектном уровне.

Шзактическая ценность -работы. Выполненная работа может бн'

использована в проектных организациях, занимающихся расчетом и

проектированием стальных вераикальных цилиндрических резервуар!

для нефтепродуктов на вечномерзлых грунтах, а также эксплуатащ

онными подразделениями, занимЕщимцся контролем за эксплуатаци!

резервуаров по данным оперативной 'информации.

Реализация работы. Рекомендации и выводы по работе,, так Ж1

как к методики в ней разработанные, нашли свою реализацию в НИ.

" Обследовать техническое состояние нефтяных резервуаров и дат:

рекомендации по оценке их работоспособности" и "Разработать фу:

я

даышга реконструируемого резервуара емкостью 10 тнс.м для стр^ ительства на НПО "Уса""

Экономический эффект от замены типового свайного фундаман та с настилом из железобетонных дорожных плит на.свайный Фунда^ мент в виде кольцевого свайного ростверка, центральной опоры и подкрепляющей системы из,ферм составил 5А тыс. рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на :

семинарах кафедры сопротивления'материалов и строительной^ механики ГАНГ им. И.М.Губкина ;

заседаниях Ученого'Совета УФ ВНИИШССК ; ' •

технических совещаниях и техническом совете ПО СЫН ; семинаре " Индустриализация строительства наземных объекто

зфтяной и газовой промышленности" ¡

четвертом Республиканском научно - техническом семинаре " Пе-здовые технологии разведай и добычи полезных ископаемых, осо-энности строительства и экологии на Крайнем Севорп". '

Публикации. По тема диссертации опубликовано Я печатных ра-от, из них 2 изобретения. Результаты исследований отражена так-е в отчетах НИР УФ ШШПКССК " Обследовать техническое оостоя-ие нефтяных резервуаров и дать рекомендации по оценке их рабо-оспособности "и "Разработать фундамент реконструируемого реэер-

о

yapa емкостью 10 тыс. м для строительства на Ш1С " Уса "."

Структура й объем работы. Диссертационная работа состоит з введения, четырех глав, списка литературы, включающего 108 на-менований и 5 приложений в виде отдельной книги.

Работа содержит 270 страниц машинописного текста, 38 ри-:ункое> И 60 таблиц , из них отдельная книга приложений содер-[ит Í35 страниц, рисунков и 3? таблиц.

СОДЕРЖАНИИ' PAIOTU

Бо введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные направления собственного исследования, дана аннотация ю главам.

В первой главе сформулированы требования к конструктивным решениям фундаментов, предназначенных д.Ля строительства на веч-зомерзлых грунтах. С учетом этих требований проведен критический анализ существующих (используемых в проектах) и предлагаемых (изобретения) конструктивно - компоновочных схем <KKG! фундаментов и выбран наиболее рациональный тип (фундаментов, который может быть использошн для резервуаров различной емкости. Выбран универсальный критерий для выполнения сравнительной оценки про-

ектов и оптимизации прооктних параметров несущих элементов №0, Сформулированы основные задачи собственного теслэдования.

В нашей стране используют стальные вертикальные цилиндрически з резервуары емкостью от 100 л о .с0000 м3. При проектировании необходимо учитывать такта их спегжшческие особенности, как большая площадь опирания на грунт при неравномерном распре^ делены нагрузки по площади и положительная температура хранимого в резервуаре продукта. Причем, с увеличением объема рвзор вуара нагрузка от веса корпуса резервуара возрастает значитель но больше, чем удельная нагрузка от веса хранимого в резервуаре продукта.

Специфическими особенностями облапают и вечномерзлые грун ты, которые являются основаниями для резервуаров. Это и потеря несущей способности грунта при оттаивании и неравномерные осад ии и т.д.

Следует помнить также об отдаленности объектов от промышленных центров и в связи с этим - об увеличении трудоемкости и стоимости строительства.

Учет этих особенностей позволил с^орг/гулировать следующие требования к конструктивным решениям оснований и фундаментов резервуаров на в/& грунтах;

- использование в/м грунтов по 1-му принципу - без оттаивания в вэсенне - летний период ;

- максимальное использование несущей способности материала ДН1

ца ; .

- применение в конструкции Фундамента резервуара наибольшего количества элементов заводского изготовления.

В типовом проектировании фундаментов резервуаров на в/м грунтах используются основания в виде подсыпки из среднезерни того песка или песчьно - гравийной смеси, в котором- с целью

уменьшения теплового влияния хранимого в резервуаре продукта на в/м грунт предусматривают- укладку теплоизоляторов или устройство охлаждающих систем.

Вторим типовым вариантом является свайный фундамент, представляющий собой свайное поле, 061 единенное параллельными железобетонными монолитными ростверками с уложенным по ним ¡метилом из дорожных плит.

Имеются также другие предложения по конструктивному решению фундаментов. В частности, приведенный в таблице 1 тип фундаментов, представляет -, совой кольцевой свайный ростверк и работающую совместно с днищем подкрепляющую систему из тросов С 1,2,3}, плоских (4,5) или пространственных ферм {6}.

Для разработки методологии оптимального прочностного проектирования выбрали три варианта фундаментов : свайный о настилом из железобетонных плит, используемый в типовом проектировании и два фундамента из предлагаемых ( 2 и 5 табл.и, как однотипные конструктивно - компоновочные схемы, наиболее отвечающие предъявляемым требованиям, в которых основными элементами галя-тотся сваи, ростверк и подкрепляющая днище система. Причем, в первой ККС подкрепляющей системой является настил из железобетонных плит, опирающихся на параллельные ростверки, в другой -сетка из тросов, в третьей - радиально расположенные плоские фермы, опирающиеся на кольцевой ростверк и центральную опору.

Сохранение грунта основания круглый год в мерзлом состоянии в этих фундаментах обеспечивается за счет продуваемого пространства между поверхностью грунта и днищем резервуара. Эти фундаменты могут быть применены для рэзервуаров различной емкости-от самых маленьких, до самых больших.

Возможность и целесообразность использования той или иной

ЖС для резервуаров разных объемов долины определяться прочности расчетом.

Критерием при выполнении сравнительной оценки конструктивно - компоновочных схем выбрана вероятность безотказной работы (ВБР ) , которая является количественной характеристикой конструктивной надежности фундамента. Этот критерий является и наиболее универсальным из всох возможных, так как с его помояью мотаю не только сравнить различные ККС на стадии проектирования и оптимизировать конструктивные параметры элементов Фундамента внутри уже выбранной ККС, но и определить момент вывода резервуара в ремонт в процессе эксплуатации.

Во второй главе проведен анализ метопов прочностного расчета несущих элементов выбранных ККС.

Разрабатываемая нами методика предполагает возможность выбора но только надежного, но и менее материалоемкого я менее трудоемкого в изготовлении фундамента. Поэтому, рассмотрев под' робнее расчетные схемы выбранных трех ККС, мы априори исключили из дальнейшего рассмотрения ККС с настилом из железобетонных плит как не отвечающую двум последним требованиям.

Две другие конструктивно - компоновочные схемы фундамента представляют собой сложную систему, все элементы которой : сваи, кольневой ростверк, днище, центральная ояора и подкрепляющая система из тросов или ферм выполнены из различных материалов, имеют различную мерность и различные условна нагружения.

Расчет каждого олемента по предельным состояниям имеет свои особенности, причем, НДС одних элементов, таких как свая, может быть определен простыми инженорнши вдтсдаки, других -ферма, кольцевой ростверк, пнище, работающее совместно с подкрепляющей системой - только сложными аналитическими методами, выполняемы™ с некоторыми приближениями.

Методом, способные выполнить с достаточной точностью расчет конструкции любой сложности конфигурации и широко используемым в практике инженерных расчетов является метод конечного элемента (1ТКЭ), который и принят за основной при выполнении статистического моделирования. С помощью этого метода (.южно учесть также все возможные изменения расчетной схемы и перераспределение усилий между несущими элементами фундамента в процессе эксплуатации резервуара, вызванные выходом из строя одно? или нескольких свай в кольцевом ростверке или в центральной опорэ.

На примере ККС фундамента резервуара емкостью ?.000 м3 с подкрепляюцей системой из ферм выполнен прочностной расчет несущих элементов фундамента, в результате которого получено три альтернативных варианта (три проекта) геометрических параметров элементов исследуемой ККС, имеющие право на существование (в соответствии с требованиями СНиП). Эти три проекта и послужили основой для иллюстрации разрабатываемой, методики определения ВБР. и выполнения расчетов на нааежность.

Р третьей главе изложена методика сравнительной оценки и оптимизации параметров несущих элементов выбранной конструктивно - компоновочной схемы фундамента резорвуара.

При проектировакии (фундаментов резервуаров для условий Край-нпго Севера на первый план выдвигается требование обеспечения их высокой надежности - важнейшей 'составляющей качества любой продукции. .

. На стадии проектирования конструкции главную роль играет показатель - конструтивная надежность, который является наиболее оптимальным критерием оцеш работоспособности несущих элементов • всех конструкций, в том числе и несущих элементов Фундаментов резервуара. Его определение как для каждого несущего элемента,

так и для конструкции в полом, связано с нахождением вероятности безотказной работы (ВБР)по всем предельным состояниям. Условимся обозначать конструктивную надежность Р.

Задача определения потребной конструктивной на нежности -это огромное экономическое исследование, так как разумность оптимального назначения РТр зависит от назначения конструкции, условий ее эксплуатации, ущерба, наносимого народному хозяйству при выходе объекта из строя и множества других (факторов.

Такого рода исследования для резервуаров еще никем не производились. Учитывая то, что разрушение резервуара с нефтепродуктом наносит большой ущерб окружающей природе, но чаще всего обходится без человеческих жертв, примем в первом приближении для фундаментов резервуаров требуемый уровень конструктивной надежности в диапазоне Р = 0,99 + 0,999 (на одну девятку меньше, 1 р.

чем в военной авиации ) .

То есть, будем считать,что окончательно запроектированный фундамент резервуара должен иметь конструктивную надежность не ниже 0,99.

Определим ВБР каждого из трех вариантов ККС в различными геометрическими параметрами несущих элементов (трех проектов), полученных в главе 2.

Предпочтение отдадим тому проекту, у которого ВБР будет боль ше. Причем, на этой стадии сравнительной оценки достаточно рассмотреть одно, общее для всех элементов предельное состояние -по условию прочности.

Выполнив таким образом сравнительную оценку проектов и выбрав оптимальный по ВБР вариант, можем обнаружить, что в целом надежность выбранного проекта отличается от требуемой, равной 0,99 0,999. Тогда следует произвести ряд операций, которые обеспечат получение в целом требуемой надежности, в частности, увеличить (уменьшить) размеры элементов, увеличить (уменьшить) расстояния

межяу фермами и т.д. Это по сути дела и есть проектирование фундамента на заданную надежность.

В классической постановке проектирование изделия на заданную надежность как правило, производится путем нормирования (рас пределения) коэффициента запаса прочности между несущими элементами по какому - либо выбранному критерию оптимизации. Этими кри терияыи могут служить вес, стоимость, требования равнонадежности элементов', подобия по другому издашда и т.п. Для нашего фундамента, ККС которого уже изначально по сути дела выбрана по критерию минимальной материалоемкости, мы воспользуемся классическим решением задачи, приняв в операции оптимизации за критерий рав-нонадежность элементов фундамента внутри уже выбранной ККС ( при этом несущие элементы, получившие в результате конструктивных проработок повышенную ВЕР, из операции оптимизации исключаются).

Поставив задачу сравнительной оценки проектов по критерию вероятности безотказной работа и решая ее в квазистатической постановке, будем считать, что близость состояния фундамента резервуара к какому - либо предельному состоянию характеризуется величиной соответствующего параметра состояния и- :

и, = а - ?> (11

которая зависит от соотношения действующей нагрузки 3 и несущей способности К , определяемых совокупностями случайных возмущающих параметров X и У :

й = «СХ^Х,, ...Хк), (_2Г

И = л <У1, на, ...

Приняв за в левые, а за К - правые части уравнений предельных состояний по прочности, в качестве случайных параметров х4. хг , ••• Xбудем иметь нормативные значения нагрузок,

цействующих на эти элементы, в том -числе и снеговой, определенной по результатам многолетних наблюдений ; геометрические размеры элементов и т.д. ; У1 , Уг , ... "У*. - физико - механические характеристики грунтов,слагающих площадку ; сопротивления грунта под торном и по боковой поверхности свай ; пределы прочности клй текучести стали и множество других параметров, имеющих случайную природу.

Для выполнения сравнительной опенки проектов нет необходимости использовать, в статистическом моделировании все случайные величины. Достаточно выявить те из нйх, которые наиболее сильно влияют на величину условия прочности, а остальные величины принять детерминированными.

Случайными примем следующие величины : нагрузку на сваю ; момент от внешней нагрузки на ростверк М и сжимающую нагрузку на ростверк (опорную реакцию фермы) Ж огг< . несу:цута спо_

собность сваи Ф ; предел текучести стали Я „п ; призменнуга прочность бетона 1?. Е.

В сравнительных расчетах надежности геометрические размеры (кроме толщины стенки несущего тонкостенного элемента) и физические константы (Е, б , ун. ' и V ) будем считать детерминированными величинам.

Статистическая совокупность несущих способностей каждого типоразмера свай, заглубленных на 4 м в в/м грунт в каждом проекте включает в себя 48 величин, полученных в результате обработки данных по полю из 48 скватан. По стандартной программе поиска оптимального закона распределения совокупности исходных данных < использовались критерии согласия, П(Р и Л2) доказана непротиворечивость (в числе других) нормального закона распределения, который и используется во всех последующих методиках

как более простой.

За математическое ожидание остальных величин, участвующих в статистическом моделировании при использовании нормального закона распределения примем величины, определенные детерминированным метопом.

Определение конструктивной надежности изделия в целом начинается с составления его структурной схемы надежности (ССШ, которая представляет собой обобщенную модель конструкции, разработанную до любой степени детализации.

Заметим, что структурная схема надежности фундамента резервуара прежде не составлялась. Решение этого вопроса несколько облегчается связью между элементами ССН и расчетными схемами прочностного проектировал ия.

Лдя выбора ССН естественно использовать лонятие системы как совокупности элементов.предназлаченных для самостоятельного выполнения определенных функции и элемента, как составной части системы.

Далее под системой будем понимать всю совокупность элементов фундамента, а под элементами - такую часть фундамента, для которой можно отдельно сформулировать понятия : расчетная схема условия нагружения, напряженно-деформированное состояние, а так же - предельные состояния. В выбранной нами ККС таким элементами будут : свайное поле под кольцевой ростверк, кольцевой ростверк, подкрепляющая система из ферм, свайное поле под центральную опору, центральная опора и днище.

При построении ССН Фундамента выбранной ККС (рис.1ь отнесем к суперэлементам 1-го ранга свайное поле под кольцевой ростверк, кольцевой ростверк, подкрепляющую систему из форм, свайное поло под центральную опору, центральную опору и днище.

21ЛО0

поле

-1 11-

ч

ч 3 Ь

ч

ч п, К

МКольцэвоз; ростверк

Подкгеслякиал система из

<1 ерм

СЕайпое поле

-Н

Центральная опора Дяшде

лольцепая часть 1,:онсл:-;тная плита

СЭ

1-го ранга

СЭ

П - го .ранга

I

Рпо. 1 . Структурная схема надежности ( ССН )

, Далее все эти элементы 1-го ранга (кроме кольцевого ростверка и центральной опорыJ можно раздробить на более мелкие (суперэлементы П-го ранга 1.

Свайное поле в кольцевом ростверг.е к центральной опоре можно представить себе в виде набора одиночных сва!*. Это приведет к тому, что суперэлементы П-го ранга - сваи - сами имея структуру параллельного соединения, в общую ССН включаются последовательным элементом.

Аналогично можно представить образование суперэлементов П-го ранга и для подкрепляющей системы, в которой суперэлементами П-го ранга будут фермы, которые также, как и сваи имеют структуру параллельного соединения.

Каждую Ферму в свою очередь можно разбить на отдельные ло-следователько соединенные элементы, из которых она состоит. Мы от такого дробления откажемся, так как рассматривая задачу сравнительной оценки проектов в квазистатической постановке, считаем, что ферма выйдет из строя при разрушении самого нагруженного элемента.

Таким образом, на этапе сравнительной оценки проектов оказывается ненужная дальнейшее дробление суиерэлементов 1-го ранга на элементы более низкого ранга, так как практически исключается проведение одновременных исследований по сравнению вариантов ИКС и оптимизации параметров надежности между элементами кавдой рассматриваемой ККС.

При сравнительном расчете для выявления элементов повышенной надеяшости ( с целью исключения их из дальнейшего рассмотрения; целесообразно использовать критерий - равноналежность. .Toi Да при РТр = 0,99 каждый элемент 1-го ранга должен проектироват ся ( шестиэлементная ССН) на Р^р^ 0,9983.

Если действительная надежность проектируемого элемента, зш

чительно выше Р„„ , он может бить отнесен к высоконадежному и

•Ф.

исключен из операции сравнения.

Если действительная надежность проектируемого элемента получится существенно ниже Р„_ , могут бить изменены его геометрические параметры (" выжигание" слабого элемента ), что делает в последующем ненужной операцию оптимизации (конечно, если операция оптимизации проводится по весовому, а не по стоимостному критерию),

Таким образом, реально методика сравнительной оценки проектов сводится к расчету надежности каждого элемента укрупненной ОСИ, спроектированного по правилам СНиП с определением в дальнейшем ВЕР каждого проекта ККС при последовательном соединении элементов по зависимостям

Рсист. _ '3'

где рс - вероятность безотказной работы I -го элемента СОЛ ;

с*»

= вер | ш >0} = .

(4)

где и\. =

Плотность распределения случайной величины и,1 определим по формуле 1

где Шщи - математическое ожидание и среднее квацратичес-

кое отклонение величины 1А-1 . Выразим величины Ж и бщ. через соответствующие числовые характеристики распределений нагрузок и несущих способностей для каждого элемента ССН. Согласно теоремам о математической-ожидании и дисперсии линейной функции : М.щ= Шк1- н-1а1 ;

62 -е^еД-^^Л^, ^

где "¡-¡¡^ - коэффициент корреляции (в нашем случае без большой ошибки можно положить равным 0). Допущение о нормальном распределении параметров состояния конструкции дает возможность свести расчет конструктивной надежности к вычислению некоторых безразмерных параметров и использованию табличных функций.

Произведем замену перменных в выражениях (5)и (6),

Положим о<ц= Ши/би

тогда

Р = вер [и > о] - Ф ( )=«>(*„). (7)

Ж к - Ж 5

5Т

где ф(с*.и)- табличная функция.

Проект ККС с максимальным ВЕР и должен быть принят как оп-

л

тималышй.

Как видно из результатов статистического моделирования, расчет по СНиП элементов фундамента резервуара обеспечивает очень высокий уровень надежности (практически равный 1) таких элементов, как кольцевой ростверк, центральная опора, подкрепляю щая система из ферм и днище.ТЬ есть вероятность отказа этих элементов очень мала.

Таким образом, при выполнении сравнительной оценки проектов фундамента и выборе оптишьного в формуле (3) осталось только два сомножителя - надежности свайных полей под кольцевым рост

емком и центральной опорой, то есть

к.роев. ц.опоры Р - Р х Р -<-£Н-

сист. св.поля 'св.поля • х '

Для строительства рекомендуем 1 проект фундамента резерву-фа, 'как имеющий на стадии проектирования самую высокую надежность, равную 0,9288 ( 0,92 < Ргр< < 0,93 } .

Четвертая глава. Согласно выполненным ранее расчетам для строительства выбран 1 проект фундамента, имеющий надежность ?= 0,9988.

С. течением времени, при выходе из строя того или того элемента, надежность фундамента будет падать и в какой - то момент ж должен быть выведен в ремонт.

Такие несущие элементы фундамента, как кольцевой ростверк, дантральная опора, подкрепляющая система из ферм и днище запро-!ктлрованы как высоконадежные элементы с ВБР«1. Следовательно, ! процессе экплуатагош резервуара можно в первую очередь ожидать 1тказ свийных полей под кольцевым ростверком и центральной опо-

)ОЙ. •

Выход из строя одной или группы свай как в кольцевом рост-юрке, так и в центральной опоре может быть вызван оттаиванием рунта вокруг сваи или необеспеченностью необходимой несущей пособности свай при проектировании по причине недостаточной ин-ормации о инженерно - геологических условиях строительной пло-адки под розервуарннй парк л т.д. -Естественно, что выход из троя одной или нескольких свай неизбежно ведет к увеличению агрузки на остальные сваи и к уменьшению общей несущей способ-ости свайного поля. При этом изменится параметр и и, как след-гвие, ЕБР всего фундамента в целом.

Обладая оперативной информацией о работе свайного поля и пределяя ЕБР его после каждого отказа, мы имеем возможность ценивать падение ВБР в процессе эксплуатации как в качествен-зм.так и в количественном отношении.

По поведении функции ВБР от количества отказов мы имеем эзможность сформулировать рекомендации по выводу свайного поля ремонт или по минимально допустимой величине ВБР (она должна 1тъ обоснована соответствующими экономическими расчетами) или

по градиенту паления ВБР.

Реализация вышесформулированнюс предложений раамотрена на частном примере С 1 проакт ККС).

Проследим падение ВБР свайного поля при выходе из строя одной, двух, трех и т.д. свай. В выбранном нами проекте - это сваи селением 0,3 х 0,3 м, заглубленные в в/м грунт на 4 м. Об щее количество свай под кольцевым ростверком - 48, под централ ной опорой - 19.

Небезразлично, в какой последовательности будут выходить из строя сваи. Отказ смежных свай более опасен, чем удаленных друг от друга, например, с точки зрения надежности ростверка v кольцевой части центральной опоры. Однако, расчеты показывают, что у этих элементов запас прочности столь велик, что выход и: строя даже трех рядом стоящих свай практически мало влияет на его ВБР. С точки зрения несущей способности свайного поля (в виду большого количества свай;, последовательность отказов св не имеет принципиального значения, С учетом этих замечаний бу дем последовательно выводить из работы сваи с минимальными не сущими способностями, поскольку при прочих равных, условиях их отказ в в/м грунтах наиболее вероятен;

Будем считать четные номера свай относящимися к свайному полю кольцевого ростверка, а нечетные - к свайному полю центральной опоры.

Приняли, что свайное поле подлежит ремонту, если сукмар! ВБР опустится до величины 0,95.

Анализ результатов расчетов показывает, что как и следо вало ожидать, выход из строя свай под центральной опорой ок зывает большее влияние на ВГР общего свайного поля, чем отка свай под кольцевым ростверксм.

При принятой последовательности отказов сваР для постижения минимальной ВБР (0,95) оказалось достаточным внходп из строя 23 свай (11 - пои кольцевым ростверком л 12 - поп центральной опорой )- действительное ВБР равно 0,9532527 .

Внход из строя очередной сваи под кольцевым ростверком все еще мало влияет на общее ВЕР свайного поля ( Р = 0,936752 вместо 0,97197\ чего не сювг.ешь о выходе из строя очередной сваи под центральной опорой <Р = 0,91308 вместо 0,95352 в предыдущем расчете).

Если по времени зкплуатации вывод в ремонт рассмотренного свайного поля окажется экономически нецелесообразным ¡'для выяснения этого факта необходимо провести вариантное проектирование ) , наиболее простым способом увеличения срока эксплуатации свайного поля до вывода его 5 ремонт будет заглубление вместо 4, например, на 5 м.

Повторим расчет для этого случая, оставляя в силе замечания о последовательности выиода из работы свай, но со своими несущими способностями.

Результаты расчетов при той же нагрузке на свайные поля кольцевого ростверка и центральной опоры приведены на рис.2.

Замена заглубления свай с 4 на 5 м дало резкое увеличение времени эксплуатации до вывода общего свайного поля в ромонт (по минимальной ББР рекомендации на ремонт соответствуют выходу' из строя 26 свай).

Если переход на более заглубленные сваи невозможен, а время эксплуатации до ремонта в первом проекте фундамента оказывается недостаточным, есть возможность поднять ВБР при подходе к критическому состоянию за счет уменьшения нагрузки на свайные поля ( уменьшить высоту налива продукта) с рис. 2).

Так, если посла выхода из строя двадцать третьей сваи (ва-

Рис.2; График падения-ВБ? при выходе из строя свай :

I - при заглублении в в/м грунт на 4 м ; • П - при заглублении в в/м грунт на 5 м ; I'- при уменьшении шсоты_налива продукта до Н = 7 м.

>иант со сваями, заглубленными на 4 м в в/м грунт), уменьшить ¡ыс.оту налива, то общее. ВБР свайного поля может быть зпачитель-[О поднято и процесс эксплуагацитрезервуара будет продолжен.

Дальнейший расчет времени эксплуатации до вывода резервуа->а в ремонт ( при уменьшенной высоте налива) ничем не отличаотся т предыдущего расчета.

Общие выводы

На основании проведенных исследований могут быть сделаны уте дующие выводы :

• резкое увеличение конструктивной надежности фундаментов под юртикальные стальные цилиндрические резервуары, работающих в гсловиях вечной мерзлоты, невозможно без привлечения новых кон-;груктивно - компоновочных схем, то есть без вариантного проектирования ;

- сравнение различных конструктивно - компоновочных схем может !нть произведено лишь на базе обойденного критерия, учитывающего взаимосвязь одновременной работы всех элементов конструкции, ¡оказано, что таким критерием может быть ВБР конструкции в це-гом, что'требует перехода от детерминированного прочностного троектировання к вероятностному ;

- критический анализ возможных конструкций фундаментов резервуаров позволил выявить наиболее ^ рациональные для строительств«

та в/м грунтах и предложить для иллюстрации предлагаемых мето-ппс свайный фундамент с центральной опорой и подкрепляющей системой из ферм ;

- в качестве основного метода детерминированного прочностного расчета, особенно при статистическом моделировании, для всех элементов фундамента целесообразно использовать МКЭ, как наименее чуствлтельный к конфигурация элементов и обладающий способ-

ностью определения НДС с наперед заданной точностью ;

- анализ неходких цанньк, необходимых для проведения прочностных расчетов элементов ССН, позволил произвести их ранжирование на детерминированные и случайные величпш. Последнее, в свою очередь, в значительной мере сократило мгшинное время на статистическое моделирование в вероятностных расчетах. ;

- показано, что при сравнительных оценках проектов возможно использование укрупненной ССН (на уровне супорэлекенгов 1-го ранга ), поскольку она включает в себя достаточно большое количество высоконадежных элементов;

- предложено при сравнительных опенках проектов операцию оптимизации параметров надежности между элементами каждой ККС заманить операцией "выжигания" слабых элементов, что исключает отбраковку проекта со случайным ( по Еине проектировщика) слабым звеном ;

- в окончательно принятом проекте ККС оптимизации параметров надежности между несущими элементами рекомендуется осуществлять при исключении из рассмотрения элементов ССН повышенной надежности. По результатам сравнительных расчетов рекомендована к реализации ККС 1-го проекта ;

- предложенная методика определения ВБР фундамента резервуара

в процессе зкеп.луаташи позволяет по .поступающей оперативной ин формации после отказа каждой сваи (или под кольцевым ростверком или под центральной опорой) определять остаточную ВБР общего свайного поля ;

- временной анализ последовательности проводимых по оперативной информации расчетов позволяет определить тот момент времен ни { по величине минимальной ВБР или росту градиента падения ВБР) , который соответствует необходимости вывода свайного пою

' л ремонт ;

- в случае невозможности вывода свайного поля в ремонт сформулированы рекомендации, позволяющие поддерживать ВВР свайного поля ( путем снижения высоты налива продукта) на любом промежуточном ( в том числа и проектном) уровне надежности.

По теме диссертации опубликованы следующие работы :

1. A.C. !!■ 903486 Опора надземного резервуара. (Соавтору В.Г.Тишин, Б.Л.Барский). Опубл. 7.02.82 Бгал.Кб. - 4с.:ил.2.

2. A.C. № 945288 Опора надземного резервуара. (Соавторы В.Г.Тишин, Б.Л.Барский). Опубл. 23.07.82 Бюл. £ 27. - 4о.:ил.2..

3. Сердитова H.A. Конструкция опирания резервуара большой емкости на слабый грунт./ Тезисы докладов семинара "Индустриализация строительства наземных объектов нефтяной и газовой промышленности". Москва, 1983 г.

4. Сердитова H.A., Тишин В.Г., Барский Б.Д. 0п1фаиив резервуаров больших емкостей на слабых грунтах. Экспресс - ш-ь[юрма-иия ВНШОЭНГ. Сер. " Нефтепромысловое строительство".- М., 1964.-Вьта. 10.

5. Сердитова H.A., Шутов В.Е. О методологии оптимального прочностного проектирования фундаментов нефтяных резервуаров на вечномерзлнх грунтах./ Тезисы докладов четвертого Республиканского научно - технического семинара // Передовые технологии разведки и добычи полезных ископаемых, особенности строительства

и экологии на Крайнем Севере. Воркута, 1990.

6. Сердитова H.A., Шутов В.Е. О методологии оптимального прочностного проектирования фундаментов нефтяных резервуаров

на вечномерзлнх грунтах./ Ob. ВЮЩПКССК. Москва, 1990, 61 - 6Вс.

7. Синюков A.M., Сердитова H.A. Сравнительная оценка фундаментов резервуаров по критерию безотказной работы. // Строитель-