автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Расчет на сейсмические воздействия наземных стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти в условиях Ирана

На правах рукописи

005045736

Кангарлу Камбиз

РАСЧЕТ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАЗЕМНЫХ СТАЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ В УСЛОВИЯХ ИРАНА

05.23.17 - строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 2012

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Трушин Сергей Иванович

Официальные оппоненты: Жарницкий Виталий Иосифович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский

государственный строительный

университет», профессор кафедры железобетонных конструкций,

Бедняков Виктор Георгиевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФБУ «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности» (НТЦ ЯРБ), начальник лаборатории надежности строительных конструкций.

Ведущая организация: ООО «ЦНИИПСК им. Мельникова»

(Центральный ордена трудового красного знамени научно-

исследовательский и проектный институт строительных

металлоконструкций им. Н. П. Мельникова)

Защита состоится «28» июня 2012 года в /5 час. на заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. № 9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «25 » Л/.СХ.Я- 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Анохин Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема обеспечения прочности цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов имеет важное значение и является весьма актуальной для Ирана. Во-первых, как известно, Иран является одним из крупнейших поставщиков нефти на мировом рынке, в связи, с чем проблема хранения нефти является одной из основных для нефтедобывающих предприятий. Во-вторых, территория Ирана отнесена к районам высокой сейсмичности и здесь нередко происходили и происходят землетрясения интенсивностью 7-8 баллов.

В связи с этим проблема эксплуатационной надежности и обеспечения прочности резервуаров при сейсмических воздействиях актуальна и представляет собой одну из важнейших задач научных исследований в Иране.

Вертикальные стальные цилиндрические резервуары (ВСЦР), благодаря своей простоте и ряду преимуществ по сравнению с другими конструктивными формами, являются в настоящее время наиболее прогрессивной конструкцией хранилищ для жидкостей, которые наиболее часто применяются в сейсмически опасных районах. Вместе с тем стальные вертикальные цилиндрические резервуары, как показывает анализ последствий сильных землетрясений, оказываются весьма чувствительными к сейсмическим воздействиям, повреждаются и разрушаются, приводя к весьма значительному ущербу, причиняемому народному хозяйству. Если жидкость, хранящаяся в резервуаре, является горючей или высокотоксичной, то сочетание этих факторов неминуемо приводит к катастрофическим последствиям или экологическим бедствиям.

Цель работы заключается в разработке методики исследования колебания жидкости в резервуаре, определения гидродинамического давления жидкости на стенки вертикальных стальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях, анализа напряженно-деформированного состояния оболочечной конструкции резервуара, а также оценки сейсмической надежности основания резервуара.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

1. Исследование повреждений вертикальных стальных цилиндрических резервуаров, выявленных в результате последствий сильных землетрясений;

2. Анализ существующих методов расчета строительных конструкций при сейсмическом воздействии и сравнения способов оценки надежности с учетом основных конструктивных параметров;

3. Разработка математических моделей, соответствующих системе «гибкий резервуар - вязкая несжимаемая жидкость», и расчет прочности корпуса резервуара;

4. Сопоставление результатов, полученных с помощью спектрального анализа, с результатами численных расчетов па основании метода

конечных элементов, полученных с помощью программного комплекса ANSYS-12;

5. Сравнение результатов расчетов в соответствии с последними российскими и зарубежными нормами но определению гидродинамического давления и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах при сейсмических воздействиях;

6. Исследование колебаний жидкости в резервуарах при сейсмических воздействиях с использованием следующих моделей: 1) динамическая модель движущейся жидкости в резервуаре, которая состоит из набора сосредоточенных масс с пружинами и демпферами. Для решения этой системы применяется программа MATLAB; 2) моделирование резервуара в программе ANSYS CFX-12 с использованием акселерограмм землетрясения в г. Табасе; 3) реализация колебания жидкости с помощью программы SIMULINK.

7. Анализ характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания (приподнимание оболочки и длина приподнятой зоны).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние геометрических параметров резервуаров и уровня их заполнения жидкостью на величины гидродинамических нагрузок, собственные частоты и формы колебаний, характер напряженно-деформированного состояния их конструктивных элементов.

2. На основе спектрального анализа с помощью программы ANSYS-12 выполнены расчеты по определению гидродинамического давления на стенки и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью при сейсмических воздействиях. Проведен анализ влияния импульсивной и конвективной составляющих гидродинамического давления на напряженно-деформированное состояние оболочки цилиндрического резервуара в зависимости от ее геометрических параметров.

3. Определены характер распределения импульсивного и конвективного давления, внутренние усилия и напряжения, образуемые гидродинамическим давлением взаимодействия корпуса стального вертикального цилиндрического резервуара с жидкостью в процессе сейсмического воздействия интенсивностью выше 9 баллов с помощью программы ANSYS-12.

4. Выполнено исследование характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания, с определением длины приподнятой зоны и величин сжимающих напряжений в стенке резервуара, обусловленных приподниманием.

5. Разработаны и реализованы алгоритмы, моделирующие колебания жидкости при различных ускорениях с помощью программных комплексов MATLAB-7.7, ANSYS CFX-12 и SIMULINK .

6. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов расчета вертикальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях с нормами ACI 350, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8.

Достоверность результатов обоснована сравнением и проверкой результатов, полученных при расчете вертикальных цилиндрических резервуаров по нормам АС1 350.3, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований удобны для практического использования. Разработанные на их основе алгоритмы и программное обеспечение предназначены для моделирования колебания жидкости, высоты волны и гидродинамического давления на корпус резервуара при сейсмических воздействиях. Программные модули являются достаточно гибкими для их преобразования и дополнения и позволяют исследовать резервуары различной емкости при различных сейсмических воздействиях. Алгоритмы и программы могут оказаться полезными при проведении конкретных расчетов резервуаров заинтересованными проектными и научно-исследовательскими организациями.

На пакет программ для ЭВМ, разработанный на основе представленных в работе алгоритмов, получено 2 свидетельства о государственной регистрации.

Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при расчетных обоснованиях прочности и надежности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для сейсмически опасных районов. Таким образом, представленная работа посвящена разработке методологического подхода к оценке надежности резервуаров при сейсмическом воздействии и является развитием нормативного подхода к расчету стальных вертикальных цилиндрических резервуаров.

Апробация работы. Отдельные результаты и работа в целом доложены:

1-III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет,

2010 г.

2- IV Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», Москва, МГСУ, 2011 г.

3-XIV Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 2011 г.

4-V Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет,

2011 г.

5-5th International Conference on Seismology and Earthquake Engineering (SEE5), Tehran, 2009.

Личный вклад соискателя. Настоящее исследование представляет собой результат работы соискателя по расчету на сейсмические воздействия наземных стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти в условиях Ирана, в процессе которой были изучены труды русских и

зарубежных ученых в этой сфере. Диссертация выполнена соискателем самостоятельно, без участия других лиц.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также получено 2 авторских свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 175 страницах текста и состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 95 наименований. Текст сопровождается 26 таблицами и 144 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации отмечаются актуальность рассматриваемой задачи, цель исследования, его научная новизна, достоверность полученных результатов, практическая значимость работы, содержатся сведения об апробации проведенных исследований и публикациях по теме диссертации.

В первой главе приведен обзор и классификация резервуаров, а также существующие подходы к их расчету на сейсмические воздействия. Особенности сейсмических реакций сосудов, содержащих большие объемы жидкости, подробно исследованные в основополагающих публикациях Дж.Хаузнера (G. W. Housner) и его последователей, легли в основу расчетных соотношений, включенных в соответствующие разделы стандартов API-650, API-620, AWWA D100. В России излучению вопросов сейсмостойкости ВСЦР посвящепы в основном работы Н.А.Николаенко. Разработанная им методика расчета этих конструкций изложена в «Рекомендациях по расчету резервуаров и газгольдеров на сейсмические воздействия».

Во второй главе рассматривается вывод определяющих уравнения движения жидкости в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах. Потенциал скоростей несжимаемой, идеальной, безотрывной жидкости (<р) должен удовлетворять уравнению Лапласа, которое в цилиндрической системе координат {г, 0,z) имеет вид:

V2cp = 0 -» <Prr+l<Pr+-^<Pee + <Pzz = 0 (1)

и = — срг = 0 в г — а , w = —(pz — 0 в z — —h (2)

Выражения (2) являются условиями непроницаемости стенки. На свободной поверхности можно записать уравнение Бернулли:

2

р V* р 2

где р - давление на поверхности жидкости, р — массовая плотности жидкости, v

- скорость на поверхности и Ф, — заданное ускорение. На рис. 1 представлено решение дифференциального уравнения Лапласа, соответствующее четвертой

6

и шестой собственной форме колебания жидкости, полученное с помощью программы МАТЬАВ-7.7.

Рис. 1. Четвертая и шестая собственная форма колебания жидкости.

В третьей главе проводится численное моделирование сейсмического воздействия на резервуар па основе спектрального анализа с применением ПК АМБУБ 12. В качестве расчетной взята конструкция вертикального стального

Рис. 2. Вертикальный стальной резервуар.

Расчетная схема включает элементы FLUID 142 (3D) - жидкость и SHELL63 - оболочка резервуара (рис. 3).

Рис. 3. Конечно-элементная модель резервуара с жидкостью и расположение анкерных болтов на основании резервуара.

Сейсмическое воздействие, которое учитывается при спектральном анализе резервуара, определяется по формуле (4) согласно персидскому стандарту 2800. 2.75Л0/ /ГУ /0.05\°'4

а = ^{т) (—) (4)

7

где Ао=0.4^ - эффективное пиковое ускорение землетрясение с вероятностью 10% возможности превышения интенсивности землетрясения в течение 50 лет. 1=1 - класс ответственности, /?=•/ - фактор характеристики конструкций, Т'=035, / - параметры, определяющие свойства основания; ¿;=0.02 -коэффициент демпфирования.

В качестве верификации расчетной схемы проведен модальный анализ конструкции (рис. 4).

Рис. 4. Первые три собственные частоты и формы колебания жидкости по Euro code 8 и ANSYS.

В таблице 1 и на рис. 5 представлено распределение напряжений в стенке и нагрузки на анкерные болты резервуара при сейсмическом воздействии интенсивностью 9 баллов, полученные с помощью программы ANSYS.

Таблица I. Распределение напряжений в стенке и нагрузки на анкерные болты резервуара при сейсмическом воздействии интенсивностью 9 баллов.

с (kg/cnr) a (kg/cm-) о (kg/cm") в (°) FZ (Kg)

(т) кольцевое вертикальное напряжение No FX (Kg) FY(Kg)

напряжение напряжение по Ми'зееу

0,000 16,9 42,4 28,4 1 0,0 -146.3 0,0 3500,6

0.369 186,0 28,9 169,9 2 7,5 -482,2 1554,6 3472,8

0.737 355,0 15,3 348.5 3 15.0 -1081,1 3111,8 3375,3

1.106 370,4 19,7 363,0 4 22,5 -2019,7 4380,2 3047,0

1.474 314,5 32,3 301.6 5 30,0 -3108.0 5124,2 2595,5

1.843 283.4 35.4 269,2 6 37.5 -4199,9 5372,2 2241.3

2.211 295,2 22,2 286.4 7 45.0 -5291,2 5291,2 1990.7

2.580 305.7 9.5 302,7 8 52,5 -6360,2 4937,2 1728,1

2.948 290.9 7,4 288.8 9 60.0 -7276,8 4284. 1 1394.6

3,317 276,1 5,4 274,9 10 67.5 -7971,9 3384.3 1113,3

3,685 260,5 4.9 259.3 11 75.0 -8511,9 2341.7 854.6

4.054 244,5 4.9 243,3 12 82,5 -8925,5 1205,3 485,4

4422 225,5 5.4 223,9 13 90.0 -9097.8 0,0 0,0

4,422 202,1 6.6 199.8 15 105.0 -8511.9 -2341,7 854,6

5.159 177.9 7.5 175,1 17 120.0 -7276,8 -4284,1 1394,6

5,528 145,9 6.3 143,5 19 135,0 -5291,2 -5291,2 1990,7

5,896 113,8 5.1 111,9 21 150,0 -3108,0 -5124.2 2595.5

6.265 81,9 4.6 80,0 23 165,0 -1081.1 -3111.8 3375,3

6,633 49,9 4.4 48,2 25 180.0 -146,3 0,0 3500,6

7,002 27,5 5,2 25,6 сумма -119847 0,0 51598

7,370 16,2 7,1 14,1

Рис. 5. Эпюра Распределения напряжений вдоль образующей

На рис. 6^11 представлены результаты спектрального анализа резервуара, полученные с помощью ПК АЫБУБ 12.

Рис. 6. Распределение кольцевых и вертикальных напряжений в степке

резервуара.

Рис. 7. Эпюра кольцевых и вертикальных напряжений в стенке резервуара.

ряжении под импульсивным давлением

Рис. ]0. Распределение кольцевых напряжений под конвективным давлением.

Рис. 11. Распределение вертикальных напряжений под конвективным

В четвертой главе проведено сравнение результатов расчетов цилиндрических резервуаров, полученных с использованием ПК А^УБ 12 и на основе различных зарубежных норм: АСІ 350.3, А\У\¥А, АРІ 650, ЫгБЕЕ и Еигососіе 8 (табл. 2).

Таблица 2. Сравнение между нормами: АРІ 650, ^БЕЕ, Еигососіе 8 и результатами спектрального анализа резервуара, полученные с помощью ПК

АШУ8 12.

Единица: N. Ра, ш, в Ап$у$ 12 АРІ 650 Еигососіе 8 N/81:1:

Поивпег (1954) УеЫзов (1977) МаШоЦ-а (2000) Уеіеівоз (1984)

Импульсивный горизонтальный соб. период 0.3 0.29 - 0.29 0.31

Импульсивный вертикальный соб. период - - - - 0.28

конвективный соб. период 7.92 7.91 7.93/4.26 7.95 7.93/4.26

Высота волны - 3.94 3.31 3.94 3.34

Горизонтальная сила в основании 1.510" (с анкерами) 6.9107 (без анкеров) 1.64108 1.95108 2.06108 1.81 108

Опрокидывающий момент (без учеты гор. силы в осн.) 8.28 10* (с анкерами) 4.40 108 (без анкеров) 1.001 о4 1.32109 1.441 о" 1.1510"

Опрокидывающий момент (с учетой гор. силы в осн.) - 3.12 ю" 3.33 109 3.52 Ю9 2.90 10"

Вер. напряжение С установкой анкеров 5.0 107 3.34 107 4.20 107 4.57 107 3.69 107

Вер. напряжение без установки анкеров 1.00 ю8 Требует анкеров Требует анкеров Требует анкеров 8.61 107

Допустимое осевое напряжение - 3.48 107 7.10 107 8.59 107 8.23 107

кольцевое напряжение 4.0 108 (с анкерами) 4.0 108 (без анкеров) 4.92 108 4.72 108 4.72 108 4.68 108

Допустимое кольцевое напряжение - 3.52 108 3.55 Ш8 3.55108 3.55 108

Подъем от днища 0.076 0.33 Требует анкеров Требует анкеров 0.174

Пластическое вращение - - - - 0.115

Допустимое пла. вращение - - 0.20 гаё (11°) 0.20 гаїї (11°) 0.20 гаё (11°)

Радиальное напряжение в основании - - - - 5.41 108

її

Пятая глава. В пятой главе рассматриваются методы реализация колебания жидкости в резервуарах при сейсмических воздействиях на основе компьютерного моделирования. В первой части представлена динамическая модель движущейся жидкости в резервуаре, которая состоит из набора сосредоточенных масс с пружинами и демпферами. Для решения этой задачи применяется программа Matlab.

Уравнение движения для системы масса-пружина-демпфер имеет вид:

dy 2 т

—+ + = — (5)

где шп = Jk/m, f = c/(2Vmfc) , т -эквивалентная масса системы, с -коэффициент демпфирования, к - жесткость.

Уравнение (5) в блоке state space записывается в форме:

m=i-< 13 Q-

На рис. 12 представлена расчетная дискретная динамическая расчетная модель движущейся жидкости, с двумя массами.

Ш

'»i

*1(0

Л(')

L

4ÜF

-га(')

А'2

-ЛЬ

i-

Рис. 12. Дискретная динамическая расчетная модель движущейся жидкости в резервуаре и схема системы контроля

Отметим, что каждая масса находится под действием восстанавливающих сил (-kx(t)) и вязких сил (-bv(t)) сопротивления, а также под воздействием возмущающей силы, изменяющейся по гармоническому закону и передаваемой от стенки корпуса модели массам. Дифференциальное уравнение масс в блоке state space имеет следующий вид: dx(t)

= Ax(t) + Bu(t) + Ц(0 , в этой задачи £(t) - Белый шум = О

dt

г (О = Cx(t) + 6(t) , в этой задачи 8(t) = О

(7)

где х(о = ыохм i,(t) x.jomfM, иío = [u,(t) ih(t)f, yo = шо mi,

L =

0 0 0 0 bi 0 о о о о 0 b2

, = fl 0 0 0 0 0] lo 1 о о 0 oJ

0 0 1 0 0 0 ■ 0 0

0 0 0 1 0 0 0 0

-кг кг ~Ьг Ьг 1 1

- - - - - 0 - 0

ГПг гпг т1 тг т1 В = тг

h. кг + к2 hL Ьг + Ь2 0 1 0 1

т2 т2 т2 т2 т2 т2

0 0 0 0 -а-г 0 0 0

0 0 0 0 0 —а2. - 0 0

Результат программной реализации продемонстрирован на рис. 13. В правом верхнем углу окна показаны первые десять собственных частот колебаний жидкости и импульсивное давление на стену резервуара (R- длина резервуара, Н- высота резервуара Т- толщина стенки резервуара, Force-вибрационное перемещение основания резервуара; height- высота волны, iteration No- единица времени=1/40 е.).

2

1 О

"" '2

ЩЩМ.

200 250 300

100 160 200 250 300 350 400

Рис. 13. Результат программной реализации. 13

Далее приводятся результаты динамического моделирования сейсмического воздействия на бензохранилище, проведенное в программе АпэуБ Ох12 (рис. 14). В качестве расчетной взята конструкция вертикального стального резервуара объемом 10 тыс. м3 (диаметр резервуара - 28.5 м, высота стенки резервуара -18 м, плотность хранимого продукта - 0.75 т/м3, стенка резервуара выполнена из стальных листов размером 2,0 м X 8,0 м). Для расчетного воздействия принята акселерограмма землетрясений в г. Табас.

- - — ' — 4-7=4- !-Л Г<И ||| „

Ш

Рис. 14. Результат реализации колебания цилиндрического объема жидкости с

помощью Ашуэ СБе.

На рис. 15 представлены кольцевое и вертикальное напряжение в стенках 3-х видов резервуаров по акселерограмме землетрясений в г. Табас без установки анкеров и с установкой анкеров.

Рис. 15. Кольцевое и вертикальное напряжение в стенках 3-х видов резервуаров по акселерограмме землетрясения в г. Табасе: — без установки анкеров, — с

установкой анкеров.

Третий подход к моделированию колебания жидкости в резервуарах выполнен с помощью программы 81МиЬШК (рис. 16).

Рис. 16. Моделирование колебания жидкости в резервуарах с помощью программы 81МиЫМК.

В таблице 3 приведено сравнение максимальной высоты волны согласно результатам Simulink, American Cods и Eurocode 8 при землетрясениях в городах Kocaeli, Tabas и Northridge.

Таблица 3. Сравнение максимальной высоты волны согласно результатам Simulink, American Cods и Eurocode 8 при землетрясениях в городах Kocaeli, Tabas и Northridge._________

Единица:т, s резервуар 1 резервуар 2 резервуар 3 резервуар 4 резервуар 5

Первый соб. период (sec) 15.4 И 9.2 4.05 2.34

American Cods ASCE7 0.545 0.792 1.036 1.095 0.640

ACI350 0.687 0.992 1.300 1.370 1.328

DUO 0.460 0.661 0.867 0.913 0.913

D100 0.545 0.792 1.036 1.095 0.640

API650 0.545 0.792 1.036 1.095 0.640

Eurocode 8 NOR. 0.83 1.20 1.60 1.66 1.30

TAB. 1.17 і.69 2.25 2.34 1.83

КО A. 0.37 0.54 0.71 0.74 0.58

Simulink NOR. 1.02 1.01 1.38 1.23 2.19

TAB. 3.07 3 3.4 2.9 1.42

KOA. 2.55 2.4 2.52 2.72 1

резервуар 1-H/R= 15/54=0.3; резервуар 2-І№=20/40=0.5; резервуар З- H/R=37/37=l; резервуар 4-І 1/R= 15/7.5=0.3: резервуар 5-H/R=6.5/2.5=2.6

В шестой главе рассматриваются сейсмическая надежность оснований и фундаментов вертикальных цилиндрических стальных резервуаров.

На рис. 17 представлено изменение давления на основание у его края во времени, полученные с помощью программы СРХ-12.

jg*«0,000 ■

я

Ю.ОЮ

о ъ 1й И X

Время Н

Рис. 17. Давление у края основания резервуара, полученные с помощью программы АЫ8У8 СРХ-12.

Опрокидывающий момент при сейсмическом воздействии, вызывает местный подъем днища от основания как показано на рис. 18. Так как радиальные смещения оболочки являются относительно малыми возможно использование линейной теории Тимошенко:

Рис. 18. Местный подъем днища от основания

Я{РГ1 - V2) Я2 Я

и = —17— + — [М-Ш] , [2М-АЛ] (8)

где: и - перемещение края; /? — радиус цилиидрической оболочки; ф3 - угол поворота стенки; Н — удерживающие силы от продукты на вздымаемую часть; М - изгибающий момент в вертикальной плоскости; Д.=£543/[ 12(1 -у52)| — жесткостная характеристика цилиндрической оболочки; у5 - модуль упругости стали и коэффициент Пуассона стали; '2/[3(1- у52)]3/4— физико-

геометрический параметр; - толщина днища резервуара; р - давление жидкости на краю. Максимальная величина подъема степы может быть получена при использовании измененной версии формулы Камбера:

_ 1

У-тах ~ ~

ро - гидростатическое давление на основание;/, - предел упругости материала днища резервуара.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние геометрических параметров резервуаров и уровня их заполнения жидкостью на величины гидродинамических нагрузок, собственные частоты и формы колебаний, характер напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов.

2. На основе спектрального анализа с помощью программы А^У8-12 выполнены расчеты по определению гидродинамического давления па стенки и

17

/у£ 5 РоЬ 6 /„

/г.5

Еі*

12 Гг5и

1/21

(9)

динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью при сейсмических воздействиях.

3. Проведен анализ влияния импульсивной и конвективной составляющих гидродинамического давления на напряженно-деформированное состояние оболочки цилиндрического резервуара в зависимости от ее геометрических параметров.

4. Результаты исследований показали, что в широких резервуарах при землетрясении импульсивная составляющая воздействия распределенной гидродинамической нагрузки на стенку имеет существенно большую величину и неравномерность, чем конвективная составляющая нагрузки. Вследствие этого в широких резервуарах при потере устойчивости исходной формы равновесия возникают пластические деформации оболочки в нижней ее части в виде «слоновой ступни», в то время как в высоких резервуарах потеря устойчивости характеризуется образованием ромбической формы вмятин в верхней части корпуса.

5. Определены характер распределения импульсивного и конвективного давления, внутренние усилия и напряжения, образуемые гидродинамическим давлением взаимодействия корпуса стального вертикального цилиндрического резервуара с жидкостью в процессе сейсмического воздействия интенсивностью выше 9 баллов с помощью программы ANSYS-12.

6. Выполнено исследование характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания, с определением длины приподнятой зоны и величин сжимающих напряжений в стенке резервуара, обусловленных приподниманием.

7. Разработаны и реализованы алгоритмы, моделирующие колебания жидкости при различных ускорениях с помощью программных комплексов MATLAB-7.7, ANS YS CFX-12 и SIMULINK .

8. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов расчета вертикальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях с нормами ACI 350.3, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode8.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России для кандидатских диссертаций:

1. Кангарлу К. Расчетная динамическая модель движения жидкости в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах [Текст] / К. Кангарлу // Вестник МГСУ. - М. - 2011. Вып.1, том 1. - с. 111-116.

2. Кангарлу К. Моделирование колебания жидкости в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах при сейсмических воздействиях [Текст] / К. Кангарлу // Вестник МГСУ. - М. - 2011. Вып.2, том 2. - с.131-136.

3. Кангарлу К. Сейсмическая надежность оснований крупных вертикальных стальных цилиндрических резервуаров [Текст] / К. Кангарлу // Вестник

Российского университета дружбы парода (РУДН). - М. - 2011. Вып.З, том 1. - с. 32-37.

4. Кангарлу К. реализация колебания жидкости в резервуарах при сейсмических воздействиях с помощью программ Matlab и Ansys cfx [Текст] / К. Кангарлу П Строительная механика и расчет сооружений. -М. - 2012. №1. - с.54-58.

Публикации в других изданиях:

5. Кангарлу К. Расчетная динамическая модель движения жидкости в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах [Текст] / К. Кангарлу // XIV Международная межвузовская научно-практическая конференция «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 2011 г. с. 51-56.

6. Кангарлу К. Сейсмическая надежность оснований крупных вертикальных стальных цилиндрических резервуаров [Текст] / К. Кангарлу // IV Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», Москва, МГСУ, 2011 г. с. 198-204.

7. Кангарлу К., Башга Пажухешгаран Жван. Моделирование колебаний жидкости в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах при сейсмических воздействиях [Текст] / К. Кангарлу, Башга Пажухешгаран Жван // V Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет, 2011 г.

8. Kangarlou К. Seismic analysis considerations for uplifted storage tanks. [Текст] / К. Kangarlou // V Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет, 2011 г.

9. Kangarlou К. Simulation of sloshing waves in a storage tank under seismic excitation using a spring-mass-dashpot model [Текст] / К. Kangarlou // 5lh International Conference on Seismology and Earthquake Engineering (SEE5), Tehran, 2009.

На основании разработок диссертационного исследования получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

1- Моделирование колебания жидкости в крупных вертикальных нефтяных резервуарах при сейсмических воздействиях. Правообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет (ГОУ ВПО МГСУ), ОГРН: 1027700575044, Авторы: 1- Кангарлу Камбиз, 2- Трушин Сергей Иванович. Роспатент, №2011616964 от 7.09.2011.

2- Реализация движения жидкости, огня, ветра и газа с помощью программы Simulink. Авторы: Кангарлу Камбиз. Главное управление регистрации фирм и индустриальной собственности (в Тегеране), №35136 от 28.05.2008.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 Московский государственный строительный университет

Подписано в печать 21.05.2012 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,25 п.л. Тираж 115 Заказ 33k

Отпечатано в Типографии МГСУ 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиналов

61 12-5/3781

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО "МГСУ")

На правах рукописи

Кангарлу Камбиз

РАСЧЕТ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАЗЕМНЫХ СТАЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ В УСЛОВИЯХ ИРАНА

05.23.17 - строительная механика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор С. И. Трушин.

Москва - 2012 1

Оглавление

Введение.....................................................................................5

Глава 1. Обзор понятия и классификация резервуаров, а также поведения вертикальных стальных цилиндрических резервуаров при прошедших землетрясениях и существующие подходы к их расчету ....9

1.1 Классификация и основные типы резервуаров...................................9

1.2Статические расчеты вертикальных цилиндрических резервуаров.......12

1.3 Повреждения вертикальных цилиндрических стальных резервуаров,

возникшие в результате сильных землетрясений...............................16

1,4Рассмотрение существующих подходов к расчету стальных вертикальных цилиндрических резервуаров при сейсмическом воздействии..............25

1.4.1 Методика в. Ношпег.....................................................25

1.4.2 Методика Н.А.Николаенко..................................................28

1.4.3 Методика Велетсоса..........................................................31

Глава 2. Математический анализ для определения колебания жидкости и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью при горизонтальном или вертикальном сейсмическом

воздействии.................................................................................32

2.1 Уравнение движения жидкости....................................................33

2.2Постановка краевой задачи. Математическая модель для исследования

гидродинамического давления жидкости на стенку резервуара.............37

2.3Численный анализ результатов...................................................38

2.4Расчет прочности корпуса вертикального стального цилиндрического резервуара на гидродинамическую нагрузку при горизонтальном

сейсмическом воздействии...........................................................39

2.5Решение дифференциального уравнения Лапласа, соответствующего граничным условиям для идеальной и несжимаемой жидкости, с

помощью программы Матлаб........................................................46

Глава 3. Численное моделирование сейсмического воздействия на

резервуар с применением программы АТОУв.................................49

3.1 Конечно-элементное решение задачи средствами А^УБ...................49

3.20сновные уравнения АШУЗ/РШТЯАЫ для случая вязкой несжимаемой

жидкости.................................................................................49

З.ЗРасчет резервуара вертикального стального объемом 1500 м для хранения нефтепродуктов с помощью программы АЫБУЗ...............................52

3.4.1 Конечно-элементная модель резервуара с жидкостью................53

3.4.2 Модальный анализ.............................................................54

3.4.3 Спектральный анализ по нормам «Строительство в сейсмических

районах Ирана 2800».................................................................57

3.4Спектральный анализ резервуаров с разными соотношениями H/R и

продуктами...............................................................................91

Глава 4. Расчет вертикальных цилиндрических стальных резервуаров на сейсмическое воздействие в соответствии с российскими и

зарубежными нормами...............................................................104

4.1Еврокод 8, Приложение А (Сейсмическое проектирование резервуаров)...........................................................................105

4.1.1 Введение и область применения...........................................105

4.1.2 Жёсткие наземные вертикальные круглые резервуары на фундаменте....................................................................106

4.1.3 Деформируемые наземные вертикальные круглые резервуары на фундаменте....................................................................113

4.1.4 Эффекты взаимодействия «грунт - конструкция» для резервуаров....................................................................120

4.2Проектирование резервуара вертикального стального объемом 10000 м

для хранения нефтепродуктов согласно Euro code 8...........................122

4.3Пример расчета сейсмостойкости резервуара по СТО-СА-03-002-2011 ..132 4.4Сравнение между нормами ACI 350.3, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8 для сейсмического проектирования разных видов

вертикальных резервуаров..........................................................136

Глава 5. Реализация колебаний жидкости в вертикальных цилиндрических стальных резервуарах с помощью программы

MATLAB-7.7, ANSYS CFX-12 и SIMULINK....................................143

5.1 Динамическая модель движущейся жидкости в резервуаре, которая

состоит из набора сосредоточий масс с пружинами и демпфер..........143

5.2Моделирование колебания жидкости в резервуарах по ANSYS CFX 12.146 5.3Реализация колебания жидкости с помощью программы SIMULINK..151 Глава 6. Сейсмическая надежность оснований и фундаментов вертикальных цилиндрических стальных резервуаров.......................154

6.1 Сейсмические нагрузки на фундамент и основание...........................154

6.2 Анкеры...................................................................................158

б.ЗПриподнимание оболочки и приподнятая длина днища........

.............159

6.3.1 Проведение параметрического исследования с конечно-элементными моделями....................................................159

6.3.2 Результаты, полученные в ANSYS CFX-12..........................163

6.4Радиальные мембранные напряжения в плите основания.......

з

Заключение..............................................................................165

Список литературы...................................................................167

Приложение 1............................................................................173

Приложение 2............................................................................175

Введение

Актуальность работы. Проблема обеспечения прочности цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов имеет важное значение и является весьма актуальной для Ирана. Во-первых, как известно, Иран является одним из крупнейших поставщиков нефти на мировом рынке, в связи, с чем проблема хранения нефти является одной из основных для нефтедобывающих предприятий. Во-вторых, территория Ирана отнесена к районам высокой сейсмичности и здесь нередко происходили и происходят землетрясения интенсивностью 7-8 баллов.

В связи с этим проблема эксплуатационной надежности и обеспечения прочности резервуаров при сейсмических воздействиях имеет высокую актуальность и одну из важнейших задач научных исследований в Иране.

Вертикальные стальные цилиндрические резервуары (ВСЦР), благодаря своей простоте и ряду преимуществ по сравнению с другими конструктивными формами, являются в настоящее время наиболее прогрессивной конструкцией хранилищ для жидкостей, которые наиболее часто применяются в сейсмически опасных районах. Стальные вертикальные цилиндрические резервуары, как показывает анализ последствий сильных землетрясений, оказываются весьма чувствительными к сейсмическим воздействиям, повреждаются и разрушаются, приводя к весьма значительному ущербу, причиненному народному хозяйству. Если жидкость, хранящаяся в резервуаре, является горючей или высокотоксичной, то сочетание этих факторов неминуемо приводит к катастрофическим последствиям или экологическим бедствиям.

Цель работы заключается в разработке методики исследования колебания жидкости в резервуаре, определения гидродинамического давления жидкости на стенки вертикальных стальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях, анализа напряженно-деформированного состояния оболочечной конструкции резервуара, а также оценки сейсмической надежности основания резервуара.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

1. Исследование повреждений вертикальных стальных цилиндрических резервуаров, выявленных в результате последствий сильных землетрясений;

2. Анализ существующих методов расчета строительных конструкций при сейсмическом воздействии и сравнения способов оценки надежности с учетом основных конструктивных параметров;

3. Разработка математических моделей, соответствующих системе «гибкий резервуар - вязкая несжимаемая жидкость», и расчет прочности корпуса резервуара;

4. Сопоставление результатов, полученных с помощью спектрального анализа, с результатами численных расчетов на основании метода

конечных элементов, полученных с помощью программного комплекса ANSYS-12;

5. Сравнение результатов расчетов в соответствии с последними российскими и зарубежными нормами по определению гидродинамического давления и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах при сейсмических воздействиях;

6. Исследование колебаний жидкости в резервуарах при сейсмических воздействиях с использованием следующих моделей: 1) динамическая модель движущейся жидкости в резервуаре, которая состоит из набора сосредоточенных масс с пружинами и демпферами. Для решения этой системы применяется программа MATLAB; 2) моделирование резервуара в программе ANS YS CFX-12 с использованием акселерограмм землетрясения в г. Табасе; 3) реализация колебания жидкости с помощью программы SIMULINK.

7. Анализ характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания (приподнимание оболочки и длина приподнятой зоны).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние геометрических параметров резервуаров и уровня их заполнения жидкостью на величины гидродинамических нагрузок, собственные частоты и формы колебаний, характер напряженно-деформированного состояния их конструктивных элементов.

2. На основе спектрального анализа с помощью программы ANSYS-12 выполнены расчеты по определению гидродинамического давления на стенки и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью при сейсмических воздействиях. Проведен анализ влияния импульсивной и конвективной составляющих гидродинамического давления на напряженно-деформированное состояние оболочки цилиндрического резервуара в зависимости от ее геометрических параметров.

3. Определены характер распределения импульсивного и конвективного давления, внутренние усилия и напряжения, образуемые гидродинамическим давлением взаимодействия корпуса стального вертикального цилиндрического резервуара с жидкостью в процессе сейсмического воздействия интенсивностью выше 9 баллов с помощью программы ANSYS-12.

4. Выполнено исследование характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания, с определением длины приподнятой зоны и величин сжимающих напряжений в стенке резервуара, обусловленных приподниманием.

5. Разработаны и реализованы алгоритмы, моделирующие колебания жидкости при различных ускорениях с помощью программных комплексов MATLAB-7.7, ANSYS CFX-12 и SIMULINK.

6. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов расчета вертикальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях с нормами ACI 350, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8.

Достоверность результатов обоснована сравнением и проверкой результатов, полученных при расчете вертикальных цилиндрических резервуаров по нормам ACI 350.3, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований удобны для практического использования. Разработанные на их основе алгоритмы и комплексы программ предназначены для моделирования колебания жидкости, высоты волны и гидродинамического давления на корпус резервуара при сейсмических воздействиях. Программные модули являются достаточно гибкими для их преобразования и дополнения и позволяют исследовать резервуары различной емкости при различных сейсмических воздействиях. Алгоритмы и программы могут оказаться полезными при проведении конкретных расчетов резервуаров заинтересованными проектными и научно-исследовательскими организациями.

На пакет программ для ЭВМ, разработанный на основе полученных в работе алгоритмов и расчетных график, получено 2 свидетельства о государственной регистрации.

Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при расчетных обоснованиях прочности и надежности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для сейсмически опасных районов. Таким образом, представленная работа посвящена разработке методологического подхода к оценке надежности резервуаров при сейсмическом воздействии и является развитием нормативного подхода к расчету стальных вертикальных цилиндрических резервуаров.

Апробация работы. Отдельные результаты и работа в целом доложены:

1-III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет,

2010 г.

2- IV Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», Москва, МГСУ, 2011 г.

3-XIV Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 2011 г.

4-V Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет,

2011 г.

5-5th International Conference on Seismology and Earthquake Engineering (SEE5), Tehran, 2009.

Личный вклад соискателя. Настоящее исследование представляет собой результат работы соискателя по сейсмической надежности наземных стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти в условиях Ирана, в процессе которой были изучены труды отечественных и зарубежных ученых в этой сфере. Диссертация выполнена соискателем самостоятельно, без участия других лиц.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также получено 2 авторских свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 178 страницах текста и состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 95 наименований. Текст сопровождается 26 таблицами и 144 рисунками.

Глава 1

Обзор понятия и классификация резервуаров, а также поведения вертикальных стальных цилиндрических резервуаров при прошедших землетрясениях и существующие подходы к их расчету.

1.1 Классификация и основные типы резервуаров

Резервуар - специальная ёмкость для хранения, транспортировки, отпуска и учета газообразных и жидких сред при различных климатических условиях и в зонах с сейсмической активностью [1]. Изготавливаются резервуары из следующих материалов: 1- сталь,

2. алюминий,

3. синтетические материалы,

4. железобетон и др.

По форме резервуары подразделяются на:

1. вертикальные,

2. горизонтальные,

3. изотермические

4. сферические,

5. прямоугольные.

Резервуары в вертикальном исполнении цилиндрической формы могут иметь [2]:

1. плавающую крышу (вместимость 120000 куб метров),

2. стационарную крышу с понтоном (вместимость не должен превышать 50000 м3),

3. стационарную коническую (объем не должен превышать: при хранении

-I

горючих веществ 50000 м и при хранении для легковоспламеняющихся веществ (например, бензин) - 20000 м ). По способу установки резервуары классифицируются на:

1. подземные,

2. наземные,

3. надземные.

По способу установки анкеров:

1- требуется установка анкеров,

2- не требуется анкеры.

Наибольшее распространение на промышленных предприятиях получили вертикальные цилиндрические резервуары, изготовленные из стали.

Выбор типа резервуаров [15,16,17]

Выбор типа резервуаров зависит от свойств хранимой жидкости, оборачиваемости продукта и климатических условий района строительства. Большинство вертикальных цилиндрических резервуаров предназначено для хранения нефти и нефтепродуктов [3].

Для хранения светлых нефтепродуктов, например, керосина и мазута с низкой упругостью паров используются обычные вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления со стационарной крышей (с избыточным давлением до 2 кПа и вакуумом до 0,25 кПа) [14]. Сырые нефти и бензины с высокой упругостью паров хранят в вертикальных цилиндрических резервуарах с понтонами (рис. 1-1) или плавающими крышами (рис. 1-2) или в резервуарах повышенного давления (до 70 кПа). Низкокипящие нефтепродукты и сжиженные газы хранят в вертикальных цилиндрических или сферических изотермических резервуарах при отрицательных температурах или в горизонтальных цилиндрических и сферических резервуарах под высоким внутренним давлением (до 1800 кПа) [15].

Рис. 1-1. Вертикальный цилиндрический резервуар объемом 50 тыс. м с понтоном. 1- понтон; 2- направляющая труба понтона; 3- сферическая крыша; 4- шахтная лестница; 5- закрытые отсеки понтона; 6- стойки понтона; 7- днище

плавающей крышей. 1- плавающая крыша; 2- катучая лестница; 3- рельсовый

путь; 4- шахтная лестница; 5- закрытые короба; 6- кольцо жесткости; 7- зазор между стенкой резервуара и понтоном

Горизонтальные цилиндрические резервуары

Горизонтальные цилиндрические резервуары рационально пр