автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка методики оценки прочности цилиндрических конструкций с щелевыми дефектами

......ж

оренбургским государственный университет

На правах рукописи

АЛЬБАКАСОВ АЗАМАТ ИЛЬКИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ С ЩЕЛЕВЫМИ ДЕФЕКТАМИ

05.23.01 - Строетелвные конструкции, здания и сооружения

* Ж V Диссе 5Ta4HA на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

A.M. Масленников; кандидат технических наук, доцент М.И. Климов

Оренбург 1999

СОДЕРЖ АНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................ 8

1.1 Краткий обзор инженерных исследований по расчету

цилиндрических конструкций, уложенных в грунт..............................8

1.2 Общая характеристика моделей грунтового основания....................16

1.3 Классификация дефектов аппаратов и трубопроводов..........................20

1.4 Обзор работ, посвященных анализу прочности конструкций

с различными дефектами............................................................. 27

1.5 Выводы по 1 главе и задачи настоящего исследования............. 39

2 ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ............................................................. 43

2.1 Предварительные замечания по использованию метода конечных элементов......................................................................................................................43

2.2 Алгоритм метода конечных элементов для расчета цилиндрической оболочки......................................................................................................................45

2.3 Алгоритм учета грунтового основания..................................................................................61

2.4 Выводы по данной главе............................................................................................................................63

3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОГО

РАЗВИТИЯ ЩЕЛЕВЫХ ДЕФЕКТОВ......................................................................67

3.1 Постановка задачи............................................................................................................................................67

3.2 Математическое моделирование неустойчивого развития щелевых дефектов..........................................................................................................................................70

3.3 О применимости методов механики разрушения и теории упругости для анализа развития щелевых дефектов..................................74

3.4 Оценка области взаимодействия дефектов..................................................................80

3.5 Экспериментальная проверка полученных результатов..........................90

3.6 Выводы по данной главе................................................................................................................................92

4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ НА ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ............................................95

4.1 Предварительные замечания........................ ..............................................................95

4.2 О предельных значениях геометрических параметров локальных дефектов и их групп..................... ..........................................................98

4.3 Прогнозирование прочности цилиндрических конструкций Оренбургского газоконденсатного месторождения......... ....................104

4.4 Выводы по IV главе............................................................................................................................................115

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ........................................................................119

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ....................................................120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

90 годы нашего столетия характеризуются спадом объема строительства и увеличением сроков эксплуатации конструкций. В связи с этим, более точные методы расчета инженерных сооружений необходимы как на стадии поиска рационального варианта конструкции, так и на стадии их безаварийной эксплуатации.

Большой удельный вес в общем объеме строительства приходится на долю сооружений в виде цилиндрических оболочек. Особенно широкое применение нашли такие конструкции в газонефтяном, гидротехническом строительстве, в теплоэнергетике и других областях. Огромные затраты, связанные с возведением и эксплуатацией таких сооружений приводят к тому, что всякое уточнение существующих, создание или применение новых, более эффективных методов расчета даст заметное снижение материалоемкости и трудозатрат. Так, что развитие теорий расчета подобных сооружений, применение эффективных методов анализа их работоспособности, достаточно полно отражающих действительные условия работы сооружений, решение новых и уточнение существующих задач могут дать большой стоимостной эффект.

Объектами исследования большинства работ, посвященных указанной теме, являются подземные, например, напорные и безнапорные трубопроводы, цилиндрические оболочки в виде сосудов давления и конструкций различных назначений.

Эксплуатация цилиндрических конструкций в условиях безмоментного напряженного состояния является наиболее выгодной. Естественно стремление инженеров к реализации такого состояния при проектировании оболочек. Однако, на практике, во многих случаях безмоментное напряженное состояние оказывается невозможным. Даже незначительные изгибающие моменты вызывают в тонкой оболочке большие напряжения. Это обстоятельство делает осо-

бенно важным умение определить усилия в оболочке при наличии изгибных деформаций, чтобы на стадии проектирования обеспечить надежность сооружения.

Например, несущие элементы газопроводов на различных участках представляют собой сварные цилиндрические оболочки различной толщины, в том числе на грунтовом основании, иногда с конструктивными вырезами, выступами, ребрами жесткости и т.п. Многообразие эксплуатационных нагрузок, действующих на эти элементы, приводят к необходимости исследовать их напряженно-деформированное состояние при самых различных комбинациях граничных условий.

Особенно опасным, с повышением прочности материала конструкции, а также с учетом особенностей условий эксплуатации (коррозионная среда, низкая температура), становится наличие трещиноподобных дефектов. Многочисленные примеры катастрофического распространения трещин в цилиндрических оболочках: подводные тоннели, хранилища жидких и газообразных продуктов; корпуса абсорберов и скрубберов химзаводов, трубопроводы, сосуды давления с расслоениями приводятся в работах /68/, /69/, /73/.

При профилактических осмотрах цилиндрических конструкций, тем более эксплуатируемых в условиях взаимодействия с агрессивными средами, выявляют различные дефекты:

- коррозионные поверхностные повреждения;

- внутренние расслоения.

Все они существенно понижают надежность и требуют решения задачи о допустимости дальнейшей эксплуатации конструкции с дефектами в зависимости от их предельных размеров. Проблема надежной эксплуатации таких конструкций многопланова и пока не имеет однозначного теоретического и методологического решения. Глубина отдельных локальных повреждений может быть вплоть до сквозного разрушения и вместе с тем не нарушать несущей способности цилиндрической оболочки.

Локальное разрушение с образованием течи и катастрофический разрыв также требуют раздельного рассмотрения, поскольку они приводят к различным последствиям с точки зрения безопасности. В целом, нормы на допустимые размеры дефектов с учетом определенных условий эксплуатации требуют более совершенного ранжирования при наличии как высококачественной измерительной информации о геометрии дефектов, так и эффективных программ оценки опасности дефекта.

Основной целью настоящей работы является разработка новой методики оценки прочности цилиндрических оболочек, в том числе взаимодействующих с грунтовым основанием, при наличии щелевых развивающихся дефектов в условиях агрессивных сред.

На защиту выносятся:

- теоретические исследования по расчету цилиндрических оболочек на упругом основании методом конечных элементов;

- методика оценки прочности цилиндрических оболочек с исходными дефектами методами механики разрушения и теории упругости;

- анализ критических параметров дефектов и нормирование допустимых параметров изолированных протяженных дефектов и их скоплений;

- результаты расчетов реальных конструкций Оренбургского газокон-денсатного месторождения (ОГКМ), работающих в сложных условиях.

Опыт использования численных методов расчета цилиндрических конструкций был накоплен автором данной работы во время обучения в очной аспирантуре 1976-1979 гг. на кафедре строительной механики Ленинградского орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени инженерно -строительного института.

Основные результаты, приводимые здесь по оценке прочности и нормированию безопасных дефектов конструкций получены автором самостоятельно при выполнении НИР ОГУ по темам: 01830013380 «Исследование и разработка методов оценки работоспособности трубопроводов, транспорти-

рующих сероводородсодержащий газ», 01860053544 «Совершенствование методов расчета конструкций с учетом особенностей деформирования материалов и дефектности», 01860056224 «Исследование влияния сварки на коррозионную стойкость конструкций в сероводородсодержащих средах».

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Краткий обзор исследований по расчету цилиндрических конструкций, уложенных в грунт

При расчете безнапорных, низконапорных и самотечных подземных обо-лочечных конструкций учитываются как рабочие нагрузки, так и давление грунта. Действие нагрузок транспортировки в практических расчетах учитывается с помощью динамического коэффициента, меняющегося от 1 до 1,17 /12/,/41/.

В качестве расчетной схемы для цилиндрических конструкций в большинстве случаев принимается кольцо единичной ширины. Прочность оценивается с учетом как кольцевых, так и продольных напряжений.

Загруженное симметричной внешней нагрузкой кольцо деформируется так, что на некотором верхнем участке контура кольца радиальные перемещения стенки направлены к центру кольца и на этом участке отпора грунта не возникает (безотпорная зона). На других участках кольца радиальные перемещения происходят в сторону грунта, что сопровождается отпором грунта.

При расчете подземных цилиндрических оболочечных конструкций одним из расчетных критериев является ограничение предельных деформаций на их контуре поперечного сечения. Среди множества рекомендаций по ограничению радиального перемещения в шелыге трубы наиболее распространенной является рекомендация /34/ ограничить эту величину значением 0,03D. Здесь D - диаметр трубы.

О.Е. Бугаева /11/ для кольца кругового очертания предложила расчет, основанный на заданном законе изменения значений отпора грунта и постоянном размере верхней, свободной зоны кольца, соответствующей центральному углу 2ф0=90°. Грунт аппроксимировался моделью Винклера. Она получила расчет-

ные формулы, которые позже были введены в ТУиН гидротехнических тоннелей и ныне используются при расчете подземных труб.

Для расчета подземных оболочек на внешнюю нагрузку широкое распространение получил метод двух сил, в котором любая нагрузка на оболочку приводится к двум вертикальным полосовым нагрузкам, а для кольца единичной ширины - к двум сосредоточенным силам /34/. Его применение оправдано тем, что этот вид загружения соответствует характеру механических испытаний, которым оболочка подвергается на прессе в заводских условиях и простотой расчетной схемы. И всё же результаты расчетов методом двух сил далеки от истины, к тому же очень многие виды цилиндрических конструкций, например, водоводы технического водоснабжения ГРЭС и ТЭЦ, трубы магистральных газонефтепроводов и другие никогда не испытываются по схеме двух сил. Метод двух сил появился в расчетной практике одним из первых, когда еще не было более достоверных способов их расчета и достаточных экспериментальных данных.

Из всех приближенных методов расчета рассматриваемых конструкций наиболее близким к современному методу конечных элементов по своей расчетной схеме, является метод Метропроекта , разработанный Б.П. Бодровым, Б.Ф. Матэри. При расчете по этому методу окружность подземного кольца заменяется 16-ти угольником, распределенные нагрузки - сосредоточенными силами, приложенными в вершинах многоугольника, а реакции основания -упругими опорами во всех вершинах многоугольника, за исключением трех верхних узлов, расположенных в безотпорной зоне. Неизвестные параметры -изгибающие моменты во введенных шарнирах - определяются из решения системы канонических уравнений метода сил. Коэффициенты ^ при неизвестных вычисляются с учетом изгибающих моментов, продольных сил и реакций опор, представляющих сопротивление упругого основания. Величина безотпорной зоны назначается, а затем уточняется перерасчетом. Приближенность этого метода заключается в замене непрерывной кривой контура кольца лома-

ной полигональной линией, в замене непрерывных условий опирания - сосредоточенными и т.д. Можно указать и ряд особенностей метода Метропроекта, присущих приближенным методам последовательных приближений, например, закон распределения упругого отпора грунта по периметру кольца заранее не задается, а получается как результат расчета; величина безотпорной зоны уточняется в результате перерасчетов, а не принимается заранее назначенной.

Достоинствами метода Метропроекта является его универсальность -возможность расчета труб и тоннельных обделок с переменной толщиной стенок и переменным коэффициентом отпора грунта.

Поиски более точных методов расчета подземных конструкций привели к использованию дифференциальных уравнений кривого бруса на упругом основании. Но эти методы, опубликованные в ранних работах Д.В. Вайнберга, не нашли применения, т.к. в силу принятых допущений касательные усилия получаются большими против реальных в десятки раз.

Пространственная работа цилиндрических оболочек, контактирующих с упругой средой, дана в работе /5/ с использованием теории упругих оболочек. Однако здесь верхняя безотпорная зона не учитывается.

Представляет интерес работа Л.М. Емельянова /22/. Автор отказался от гипотезы "коэффициентов постели" и рассматривал грунт как линейно - деформируемую упругую среду. Он использовал решения Митчелла для плоской задачи теории упругости относительно замкнутого кольца. Методы Л.М. Емельянова являются относительно строгими и точными решениями, но они наделяют грунты свойствами, которыми они не обладают. В обеих моделях упругое основание оказывает сопротивление перемещениям стенки трубы обоих знаков (двухстороннее взаимодействие с основанием). Такое упругое основание не соответствует физической природе грунтов, которые на растяжение практически не работают.

Более точные результаты для системы - кольцо в грунте на внешнюю нагрузку получил Б.В. Калинский /30/, используя условия симметрии задачи и

граничные условия стыка отпорной и безотпорной частей кольца, автор получает систему трансцендентных уравнений для определения основных неизвестных ф, со, M и N.

В работе C.B. Виноградова /12/ изложен метод определения окружных усилий и перемещений в условиях плоской задачи применительно к цилиндрической оболочке любой жесткости, опирающейся на основание с произвольными характеристиками. Расчет кольца делится на три этапа. Сначала рассчитывается на внешнюю нагрузку верхняя безотпорная часть кольца. Остальная часть кольца рассчитывается как круговая арка на упругом основании. На последнем этапе получаются расчетные уравнения из условия совместности перемещений и усилий на границе стыковки.

Особый интерес представляют натурные испытания подземных тонкостенных труб большого диаметра, проведенные C.B. Виноградовым, Ю.М. Кружаловым под научным руководством профессора JI.M. Емельянова. Здесь же, в работе /12/ проводится сравнительный анализ результатов с другими методами.

Однако совершенствование расчетных схем для рассматриваемых сложных задач всегда предполагает использование более эффективных вычислительных процедур, обязательно ориентированных на применение вычислительной техники. На этом пути незаменим метод конечных элементов (МКЭ) - один из современных эффективных методов численного решения задач строительной механики. Сначала этот метод был использован в расчетах авиационных конструкций /109/, где впервые наиболее четко были выражены идеи метода конечных элементов. Работа способствовала появлению ряда статей с применением МКЭ к задачам строительной механики и механики сплошных сред. МКЭ стало возможным рассматривать как дискретный аналог вариационного метода Ритца.

Задачи оптимальной дискретизации рассматриваемых конструкций и выбора рациональных типов конечных элементов (плоские, криволинейные,

кольцевые, изопараметрические, суперэлементы); проблемы построения интерполяционных функ