автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Сейсмическая надежность оснований и фундаментов крупных резервуаров

На правах рукописи

ВОЛИК Дмитрий Викторович

СЕЙСМИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ КРУПНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Специальность: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2006

Работа выполнена на кафедре оснований и фундаментов инженерно - строительного факультета Кубанского государственного аграрного университета

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Ещенко Олег Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пшеничкина Валерия Александровна

кандидат физико-матем. наук, доцент Стоян Владимир Петрович

Ведущая организация:

ЗАО Научно-исследовательский и проектный институт НИПИ «ИнжГео»

Защита состоится 14 апреля 2006 г. в 13й часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному выше адресу.

Автореферат разослан 10 марта 2006 г.

диссертационного совета

¿ер 6 А

Г¿33

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Число строящихся терминалов для хранения и транспортировки нефтепродуктов в последние годы увеличилось скачкообразно. С другой стороны, в связи с введением ОСР-97 значительная часть территории страны попала в сейсмически опасную категорию. В том числе, в Краснодарском крае ряд нефтебаз возводят на площадках различной сейсмичности, сложенных сжимаемыми грунтами. Большинство из возводимых резервуаров имеют значительный рабочий объем - от 20 ОООмЗ до 100 ОООмЗ. В связи с этим проблема эксплуатационной надежности оснований и фундаментов резервуаров при сейсмических воздействиях имеет высокую актуальность.

Традиционно основное внимание при разработке сейсмически надежных резервуаров уделяется металлическим конструкциям баков, устройству плавающих крыш и гасителей колебаний жидкости (понтонов), анкеровке емкостей к фундаменту, в то время как вопрос обеспечения устойчивости оснований и фундаментов освещен недостаточно.

Цель исследования заключается в разработке методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных стальных цилиндрических вертикальных резервуаров (РВС) от сейсмического воздействия и обосновании рекомендаций по выбору типа фундамента для сейсмически опасных районов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

- анализ существующих методик расчета;

- разработка и обоснование численной модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - фунтовое основание»;

- оценка влияния различных факторов на напряженно - деформированное состояние (НДС) грунтов основа

- разработка рекомендаций по расчету сейсмических нагрузок;

- разработка эффективных конструкций искусственных оснований и фундаментов для резервуаров в сейсмически опасных районах

Методы исследования. Поставленные задачи решались методом конечных элементов (МКЭ) с учетом «импульсного» временного характера действия гидродинамической нагрузки от хранимой жидкости. Для расчетов использовались детальные пространственные модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание». Сейсмическое воздействие моделировалось в явном виде путем интегрирования уравнений движения системы по времени методом Ныомарка (прямой динамический расчет).

Научная новизна работы:

- разработана и обоснована МКЭ модель системы «гибкий резервуар -вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание»;

- оценено влияние различных факторов на НДС основания:

- высота взлива;

- наличие понтона;

- граничные условия;

- сжимаемость основания;

- тип фундамента;

- разработаны рекомендации по расчету воздействий сейсмических нагрузок.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается выполненными поверками расчетной модели путем сопоставления результатов численного, компьютерного моделирования с аналитическими и экспериментальными данными.

Для численного моделирования применялись надежные и апробированные конечно - элементные программные комплексы АЫБУБ 9.0А1 (С

10 09.02г программа ANS YS бессрочно аттестована Госатомнадзором России. Регистрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ - 490).

Объектами исследования являются основания и фундаменты крупных вертикальных стальных резервуаров, расположенные в сейсмически опасных районах.

Практическое значение:

- усовершенствована методика определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных РВС от сейсмического воздействия;

- разработаны рекомендации по выбору типа фундамента для различных геологических условий площадки и интенсивности сейсмического воздействия;

- разработаны и внедрены эффективные конструкции фундаментов крупных резервуаров для сейсмических районов.

На защиту выносится:

- методика численного моделирования системы «гибкий резервуар -вязкая жидкость - фундамент - основание»;

- результаты численного моделирования;

- рекомендации по определению величины расчетной сейсмической нагрузки;

- рекомендации по выбору типа фундаментов РВС для сейсмически опасных районов.

Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при проектировании оснований и фундаментов крупных резервуаров в различных частях Краснодарского края:

- расширение резервуарного парка на ЛПДС «Крымская» на 200 тыс. м3;

- разработка технического решения конструкции фундаментов резервуарного парка ЗАО КНПЗ «Краснодарэконефть»;

- три резервуара объемом по 20 000м3 на ПНБ «Кавказская»;

- математическое моделирование и разработка конструкций фундамента РВС 30 000м3 на ПНБ «Заречье» ОАО «Черномортранснефть»;

- математическое моделирование и разработка конструкции фундамента РВС 50 000м3 на месте демонтируемых ЖБР 10 000м3 ПНБ «Тихорецкая».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: инженерно-строительного факультета Кубанского ГАУ (Краснодар, 20012004), региональных (Краснодар, 2003-2005), а также на ряде семинаров кафедры оснований и фундаментов Кубанского ГАУ.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 5 печатных работ, подано 2 заявки на изобретения, получено 2 положительных решения о выдаче патента.

Структура работы, фактический материал и вклад автора.

Диссертация изложена на 112 страницах и состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 105 источников. Текст сопровождается 14 таблицами и 68 рисунками.

Теоретическая и экспериментальная часть исследований выполнена на кафедре оснований и фундаментов Кубанского государственного аграрного университета под руководством Заслуженного строителя Кубани, кандидата технических наук, доцента, члена РОМГГиФ Ещенко Олега Юрьевича, которому автор выражает благодарность за большую помощь, время и труд, потраченные на каждом этапе создания этой работы.

Автор выражает глубокую признательность доктору геолого-минералогических наук, академику МАНВШ, Заслуженному строителю РФ, председателю регионального отделения РОМГГиФ Константину Шагенови-чу Шадунцу и лауреату премии правительства Кубани, кандидату технических наук, доценту, члену РОМГГиФ Мацию Сергею Иосифовичу за внимание и помощь в проведении исследований и подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы тема и задача исследования, актуальность работы, показана ее практическая значимость.

Первая глава представляет собой обзор состояния исследований в области сейсмической надежности фундаментов резервуаров, на основе которого сформулированы задачи исследования.

Движение вязкой жидкости в баках при землетрясениях создает внецен-тренные сжимающие и сдвигающие усилия на фундаменты и основания, имеющие импульсный гидродинамический характер, что может привести к нарушению эксплуатационной надежности и разрушению резервуаров.

Основными причинами аварий резервуаров при сейсмических воздействиях являются:

- потеря устойчивости основания и разрыв днища резервуара (рост по-рового давления, «разжижение» грунта, уплотнение из-за девиаторной нагрузки и т.д. (Рисунок 1));

- пластические деформации оболочки резервуара в нижней части (так называемая «слоновая ступня») от действия гидродинамической нагрузки (Рисунок 2);

- продольный изгиб и разрушение верха стенки, уплотнительного пазуха и крыши резервуара от гидродинамического удара волны жидкости;

- отрыв подводящих патрубков при сейсмических подвижках основания.

Анализ опубликованного материала показывает, что фактические нагрузки на основание, как правило, выше расчетных, что и приводит к указанным повреждениям. В связи с этим становится актуальной проблема совершенствования методов расчета оснований и фундаментов резервуаров на сейсмические воздействия.

Рисунок 1. Оседание основания от Рисунок 2. Деформации оболочки разжижения грунта. Кобе, 1995г. «слоновая ступня». Аляска, 1964г.

Основное внимание при разработке сейсмически надежных резервуаров уделяется металлическим конструкциям баков, в то время как обеспечение устойчивости оснований и фундаментов изучено недостаточно. Хотя исследованиями деформаций оснований вертикальных стальных цилиндрических резервуаров (РВС) занимались О. Ю. Ещенко, Ю. К. Иванов, П. А. Коновалов, Р. А. Мангушев, С. Н. Сотников, К. Ш. Шадунц, Bhandari R. К., Gwiz-dala S., Lambe Т. W., Marr W. A., Rao В. G., Ramos J. A., Roy E., Hunt и другие, но основная часть этих работ посвящена не сейсмическим районам. В этих работах давление резервуара с жидкостью на основание рассматривалось как равномерно распределенная нагрузка.

Значительно больше исследований посвящено сейсмостойкости самих резервуаров. Следует отметить работы А. Н. Бирбраера, И. И. Гольденблата, Н. А. Николаенко, А. А. Петрова, R. W. Clough, М. A. Haroun, В. W. Housner, G.C Manos, P. Н Myers и других. Для расчета резервуара с жидкостью, Хауз-нер предложил схему (Рисунок 3), где гидродинамическое давление жидкости на конструкции резервуара складывается из конвективной (волновой) и импульсной составляющих. Конвективная составляющая от волнового движения жидкости представлена сосредоточенной массой М, которая соединяется со стенками резервуара податливыми связями с жесткостью К. Им-

пульсная составляющая гидродинамической нагрузки учитывается жестко соединенной со стенками резервуара сосредоточенной массой М0- В отечественной расчетной методике (Рисунок 4) учитывается только конвективная составляющая гидродинамической нагрузки.

Рисунок 3. Расчетная схема. Хаузнер (G. W. Housner, 1963г.)

Рисунок 4. Расчетная схема. Н. А. Николаенко и др., 1967г.

В этих расчетных схемах не рассматривалась совместная работа системы «резервуар - жидкость - фундамент - грунт». Вибрационные и импульсные (ударные) исследования, выполненные отечественными (В.А. Котляровский, Г.С. Жартовский, И.Н. Абрамова и др.) и зарубежными исследователями (D.P Clough, G.C. Manos, F. Sakai, A. Isoe, H. Hirakawa, F.J. Cambra и др.) показывают, что сейсмический отклик модели резервуара значительно зависит от изменения сжимаемости основания.

На основе анализа обзора литературы можно сделать следующие основные выводы:

- наибольший вклад (более 90%) в расчетные значения усилий в конструкциях резервуара вносит импульсная составляющая гидродинамического давления жидкости, которая превышает значения, найденные по традиционным методикам, в 2-3 раза;

- наличие сжимаемого основания меняет динамические характеристики модели резервуара с жидкостью;

- недостаточный учет сейсмических нагрузок приводит к авариям резервуаров.

Во второй главе разрабатывается и обосновывается методика численного моделирования системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание».

Особое внимание уделялось корректному моделированию таких позиций как:

- фунтовое основание и конструкции фундамента;

- расчетная модель гибкого резервуара с вязкой жидкостью;

- моделирование сейсмического воздействия;

- поверка численной экспериментальной модели путем сравнения с аналитическими решениями и результатами натурных замеров.

Для моделирования грунтового основания была выбрана пяти параметрическая упругопластическая модель с критерием прочности Друкера-Прагера (Рисунок 5). Тестовые расчеты показали, что упруго-пластическая модель дает существенное уточнение для грунтов III категории по сейсмическим свойствам (как правило, Ед<10МПа). Если же в основании залегают грунты II (Ед-Ю-^ЗОМПа) или I категории (как правило, Ед>30МПа), то использование упругой модели вносит не значительную погрешность, но позволяет существенно упростить расчет.

линеино-упругая идеально упруго-пластическая

Рисунок 5. Деформированная модель основания с упругой и упруго-пластической работой грунта

Размеры расчетной области принимались такими, при которых стабилизируется величина прогиба основания (Таблица 1). Проведена поверка принятых размеров путем обратного пересчета модели на основе данных натурных замеров осадок фундаментов построенных резервуаров. Полученные

расчетные данные на 3-8% превышают фактические осадки. С учетом того, что при эксплуатации резервуары дают дополнительную осадку от циклического характера действия нагрузки, можно предположить, что после стабилизации, осадки достигнут расчетных значений.

Таблица 1.

Принятые размеры расчетной области

Категория фунта по сейсмическим свойствам Размеры расчетной области, О*

глубина ширина

I категория 1,2 0 2,2 О

II категория 1,6 0 2,6 О

III категория 2,0 0 3,0 О

*Г) - диаметр резервуара.

-65

Ъ -ее

¿-67

I-

|-68 н

5 -70 2

5-71 1-72

I-7'

-75

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Количество конечных элементов, тысяч штук Рисунок б. График сходимости решения МКЭ

Контроль сходимости решения производился путем сгущения сетки конечных элементов при одновременном отслеживании критического параметра - осадки модели основания резервуара в центре (Рисунок 6).

Для модели гибкого резервуара (Рисунок 7) использовались высокоточные плоские конечные элементы ЭНЕЬЬбЗ. При моделировании жидкости

выбраны объемные конечные элементы РЬШШО. Данный тип «жидкостных» конечных элементов способен моделировать конвективное (волновое) движение жидкости при сейсмическом воздействии. Вязкость жидкости учитывается матрицей демпфирования для динамического анализа.

Рисунок 7. Модель гибкого рсзер- Рисунок 8. Колебание жидкости по

вуара с вязкой жидкостью первой форме

Для учета временного характера действия сейсмических нагрузок расчет численной модели был выполнен путем интегрирования уравнений движений системы по времени методом Ньюмарка (прямой динамический расчет). Этот метод используется как эталонный для сравнения с другими методами расчета сейсмических нагрузок, так как моделирует в реальном времени физический процесс землетрясения.

Нагрузка задавалась акселерограммами реальных землетрясений в Кобе, 1995г и в Оль-Центро, 1940. При выборе акселерограммы выяснилось, что из-за большой демпфирующей способности резервуара к высокочастотным колебаниям, спектральный состав акселерограммы практически не влияет на величину сейсмической нагрузки. Например, при сравнении результатов расчетов по акселерограммам землетрясений в Кобе и Эль-Центро, получаются похожие эпюры распределенной нагрузки на основание резервуара. Анализ показал, что наибольшее значение для резервуара с жидкостью имеют величины пиковых ускорений.

Поверка модели системы «т ибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание» производилась путем сравнения с результатами натурных замеров осадок построенных резервуаров (Таблица 2) и сопоставления расчетных значений с данными теоретических формул для нахождения периода собственных колебаний (Таблица 3).

Таблица 2.

Расчетные и фактические осадки резервуаров

Объект Осадки — НПБ «Кавказская» 20 000м3 НПБ «Грушовая» 30 ОООмЗ

Расчетная конечная 6,7см 5,7см

При гидротесте 4,4см 5,2см

В процессе эксплуатации фактические осадки резервуаров стабилизируются и достигнут близких расчетным значениям.

Таблица 3.

Сравнение собственных частот колебаний

Метод Собственные частоты

МКЭ расчет fl=0,142Гц f2=0,234Гц

Н.А. Николаенко и др. П=0,142Гц ГС=0,257Гц

Основные выводы по главе:

- Упруго-пластическая модель дает существенное уточнение результатов расчета по сравнению с упругой только для фунтов III категории по сейсмическим свойствам. Для грунтов II и I категории упругая модель основания резервуара позволяет получить результаты с достаточной для практических целей точностью.

- На основании проведенных поверок можно сделать вывод, что с помощью разработанной модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание» можно получать корректные данные численных экспериментов.

В третьей главе проводится анализ влияния различных факторов на эксплуатационную надежность оснований и фундаментов резервуаров при сейсмических воздействиях, и приводятся решения нескольких задач:

- оценено влияние высоты налива продукта в резервуаре;

- оценено влияние легкого алюминиевого понтона;

- оценено влияние сжимаемости основания;

- оценено влияние различных типов фундаментов на напряженно-деформированное состояние грунтов основания;

Так как наиболее распространенная и экономичная конструкция фундамента резервуара на естественном основании выполнятся в виде железобетонного кольца под стенкой на подушке из уплотненной гравийно-песчаной смеси, то для численных экспериментов принимается именно такой фундамент (Рисунок 9).

0 01 1-0 у "ЧОП ' ""' ' ' . . " "' • * • . • " ' • . • ' '

Рисунок 9. Фундамент резервуара на естественном основании

Последние исследования показывают (Петров А.А, 1997г.), что в отличие от общепринятых методов расчета, основной вклад в расчетные значения усилий в конструкциях резервуара вносят нагрузки, связанные с импульсным типом гидродинамических эффектов.

На схеме ниже (Рисунок 10) показаны типовые нагрузки на фундамент, выдаваемые проектной организацией (на примере РВСП-ЗООООмЗ ПНБ «Заречье»). Проект выполнен НПФ «Нефть-резервуар-проект», г. Москва. Распределенное давление на днище принимается как гидростатический вес жидкости. Неравномерность нагрузки возникает только вдоль стенки резервуара от конвективного (волнового) движения жидкости при сейсмическом воздействии.

В иностранных методиках (API 650), также как и в Российских, при расчете на сейсмическое воздействие, основание считается жестким, что обуславливает не адекватное реальности распределение нагрузки на фундамент резервуара (Рисунок 11).

Недостаточный учет распределенной нагрузки на основание обуславливается тем, что исследователи рассматривали прежде всего сейсмостойкость самих конструкций резервуара, а именно место сопряжения стенки и днища, которое свободно опирается на фундамент.

нагрузки ii* основание и фундамент резервуара 2. равномерно-распределенная нагрузка на основание резервуара, «н/м1:

01 • 166.« (для гидроиспытаний);

1. распределенная нагрузка по периметру стенки q2 „ u0 6 (для продукта)

(собственный sec конструкций, ветровое давление

снеговая нагрузка) кн/ж

. 01. аг

=46.5

тттттпТпп

»45800

3. максимальная нагрузка от сейсмического давления го периметру стенки, кн/м' р2 = 237

рз я нет (для анкеров) сдвигающая сила. кн: №32210

Рисунок 10. Типовые нагрузки на фундамент резервуара

1,5Р

Ilk р max h —i

кшщ]

D

Рисунок 11. Распределение гидродинамического давления от жидкости на жесткое основание по Хаузнеру (нормы API 650)

Выполненное численное моделирование показало, что максимальное значение гидродинамического давления на фундамент резервуара возрастает при увеличении уровня налива продукта, тогда как минимальное значение почти не меняется и может быть принято в 24кПа (для РВС ЗООООмЗ), что обуславливает большую неравномерность нагружения грунтов основания резервуара при сейсмическом воздействии на резервуар с жидкостью.

280

«

I' <0

3

а.

4

5

1 Максимальное гидродинамическое давление - Минимальное гидродинамическое давление ■ Гидростатическое давление (нормальная эксплуатация

6 9 12

Уровень налива, м

Рисунок 12. Гидродинамическое давление при различном уровне взлива продукта

При анализе влияния легкого алюминиевого понтона выяснилось, что его наличие снижает высоту волны жидкости при сейсмическом воздействии на 13%, но на НДС основания влияет незначительно потому, что конвективная составляющая гидродинамической нагрузки имеет примерно в 7 раз меньший вклад, чем импульсная.

Для анализа НДС основания резервуара были рассмотрены эпюры нормальных и касательных напряжений (Таблица 4) от статического и сейсмического нагружений при модуле деформации грунта 5МПа.

Таблица 4.

Сравнение характера НДС основания

Статическая нагрузка

Сейсмическое воздействие

Эпюра

вертикальных напряжений, Па

Эпюра касательных напряжений, Па

Эпюра

напряжений по критерию

Мизеса, Па

Как видно на расчетных эпюрах, максимальные нормальные напряжения находятся под центром фундамента и смещаются в сторону крена при сейсмическом воздействии. Максимальные касательные напряжения локализуются под краями фундамента, а в момент сейсмического воздействия, их наибольшие значения формируются у края фундамента в месте развития крена. При статических нагрузках максимальная интенсивность напряжений

по критерию Мизеса располагается под всем пятном фундамента, увеличиваясь от края к центру, а при сейсмическом воздействии смещается к краю.

Для оценки влияния модуля деформации фунта на НДС основания резервуара при сейсмическом воздействии замерялись величины осадок, кренов и высота волны в резервуаре при различных значениях модуля деформации упругой модели грунтового основания.

При уменьшении величины модуля деформации грунтов основания, наблюдается увеличение крена резервуара.

Анализируя влияния различных типов фундаментов на напряженно-деформированное состояние грунтов основания, были использованы модели резервуаров с фундаментами различной конструкции.

Для проведения численного эксперимента подбирались наиболее распространенные типы фундаментов:

1. фундаментное кольцо на подушке (Ь=200см) из уплотненного грунта;

2. фундаментная плита (Ь=40см) на подушке из уплотненного Г.П.С.;

3. фундаментная плита толщиной 240см (жесткий фундамент);

4. фундаментная плита (Ь=40см) на подушке из уплотненного Г.П.С. и грунтосвайном массиве;

5. свайно-плитный фундамент.

В ходе расчетов выяснилось, что фундаменты мелкого заложения 1 и 2 типа с грунтовой подушкой дают наибольшие крены и прогибы, но сравнительно средние величины напряжений в основании. Фундамент 3 типа - плита большой жесткости дает сравнительно небольшие крены и прогибы, но вызывает наибольшие напряжения на границе контакта с грунтом. Свайные фундаменты 4 и 5 типов показывают наименьшие величины напряжений и деформаций в основании. Толщина фундаментной плиты мало сказывается на изменении прогибов основания и еще меньше влияет на образование кренов во время землетрясения.

По результатам численных экспериментов были построены графики зависимости крена резервуара на фундаменте мелкого заложения от сжимае-

мости основания для сейсмичности площадки 7, 8 и 9 баллов, а так же при воздействии реального землетрясения с максимальным пиковым ускорением в 6,2м/с2.

Основные выводы по главе:

- Импульсный характер действия распределенной гидродинамической нагрузки на основание имеет существенно большую величину и неравномерность чем гидростатический вес жидкости в применяемых сейчас методиках расчета и проектирования резервуаров;

- Наличие легкого понтона не оказывает существенного влияния на НДС основания и для определения расчетных нагрузок позволяет воспользоваться формулами для резервуаров со стационарной крышей;

- При уменьшении величины модуля деформации фунтов основания наблюдается увеличение крена резервуара от сейсмического воздействия;

- Применение свайных фундаментов позволяет снизить абсолютные и относительные осадки основания при сейсмическом воздействии.

В четвертой главе разрабатывается методика определения сейсмической нагрузки на основание резервуара. Предлагаются полу - имперические формулы для расчета гидродинамического давления на фундамент резервуара и рекомендации по применению различных типов фундаментов для площадок с различной сейсмичностью и сжимаемостью оснований.

Так как сжимаемость основания влияет на возникновение кренов и прогибов фундамента резервуара, причем при различной сейсмичности и сжимаемости основания величины кренов могут превышать допустимые значения (на графике (Рисунок 13) толстые пунктирные линии), то с помощью этого графика можно определить при каких условиях возможно использовать фундаменты мелкого заложения, а при каких необходимо проектировать свайные фундаменты.

Крен, /

0,009

0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001

Кобе, Япония

\ «

\|

1, 9 баллов

V 1

\

„ 52-5/ Крен I- р

__________Предел для Р_В_С по С_Н_и_П_29_0_3__

*

8 баллов чу Предел для РВСп по СНиП 2 09.03 4 7 баллов

-------- -----г _•_ - _ Ед, МПа

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рисунок 13. Графики зависимости крена резервуара от сжимаемости основания при сейсмичности 7, 8 и 9 баллов

В результате обобщения проведенных исследований появилась возможность предложить формулы (1,2) для более точного учета сейсмических нагрузок, передаваемых на основание резервуара. В основу формулы (I) для нахождения максимального гидродинамического давления Р<1 положена методика Хаузнера (в. XV. Ношпег, 1954г.), которая была доработана до соответствия результатам численных экспериментов:

Р =1,17-10-2-£-/?-аг

0,41Я1апЬ(0,866%]+ , . ,

1 ' Н1 со5Ь[з,67^/0)-7"2

,кПА (I)

где g - ускорение свободного падения, м/с ;

а - коэффициенты 1, 2 и 4 для сейсмичности площадки 7, 8, и 9 баллов соответственно;

5 - коэффициенты 1,0, 1,25 и 1,5 для грунтов I, 11 и 111 категории по

сейсмическим свойствам соответственно;

р - плотность хранимого продукта, кг/м3;

Т- период колебания первой собственной формы, с;

D - диаметр резервуара, м;

Я - уровень взлива жидкости, м.

Для сравнения, найденная по предлагаемой формуле величина максимального гидродинамического давления для РВС 30 ООО при сейсмичности площадки 9 баллов и I категории грунтов по сейсмическим свойствам составляет 261кПа, по отечественной методике (Н. А. Николаенко и др.) -172кПа, а по иностранным нормам API 650 (Хаузнер и др.) -212кПа.

Из сравнения этих чисел становиться понятно, почему резервуары, рассчитанные на восприятие сейсмической нагрузки, часто получают повреждения типа «слоновая ступня».

В результате серии расчетов были построены эпюры распределенной гидродинамической нагрузки на основание резервуара для сейсмичности 7, 8 и 9 баллов (Рисунок 14).

Pd, кПа

250 1

200 . 150 100 J 50 -R

\ 9 баллов

\ -

X 8 баллов \ \

7 баллов

рдн

—I -ч

TI

1

Рисунок 14. Эпюры гидродинамического давления на основание резервуара для сейсмичности 7, 8 и 9 баллов

По характеру распределения гидродинамической нагрузки видно, что при изменении сейсмичности от 7 до 9 баллов, увеличивается неравномерность нагружения фундамента.

Кривая изменения величины гидродинамического давления была аппроксимирована двухпараметрической рациональной функцией (2), с максимальным отклонением от исходной кривой не более 2%.

Р-Р4-Н-Ру °&'х,+,кПА (2)

а 1-0,71-х

где я - ускорение свободного падения, м/с2;

Рс( - максимальное гидродинамическое давление, кПа;

х - расстояние от центра резервуара до места, где определяется значение гидродинамического давления (Рисунок 14), м Ниже, на (Рисунок 15) представлена блок - схема методики расчета оснований и фундаментов крупных резервуаров на сейсмические воздействия.

(начало)

Рисунок 15. Блок-схема методики расчета оснований и фундаментов

Основные выводы

Разработанная модель системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость -фундамент - грунтовое основание» позволяет оценить влияние целого ряда факторов, от которых зависи! эксплуатационная надежность вертикальных стальных резервуаров при сейсмических воздействиях; Упруго-пластическая модель дает существенное уточнение результатов расчета по сравнению с упругой только для грунтов III категории по сейсмическим свойствам. Для фунтов II и I категории упругая модель основания резервуара позволяет получить результаты с достаточной для практических целей точностью;

Наличие легкого понтона не оказывает существенного влияния на НДС основания и для определения расчетных нафузок позволяет воспользоваться формулами для резервуаров со стационарной крышей; «Импульсный» характер действия распределенной гидродинамической нафузки на основание имеет существенно большую величину и неравномерность чем гидростатический вес жидкости в применяемых сейчас методиках расчета и проектирования резервуаров; Фундаменты мелкого заложения способны обеспечивать эксплуатационную надежность резервуаров при сейсмичности 7 и 8 баллов только на фунтах 1 и 2 категории по сейсмическим свойствам (т.е. кроме сильно сжимаемых). При сейсмичности площадки 9 баллов и выше, а также на грунтах 3 категории необходимо применять свайные фундаменты;

Предлагаемые формулы позволяют корректно определить расчетную сейсмическую нафузку на основание с учетом конвективного и импульсного эффектов, что дает возможность повысить эксплуатационную надежность объектов I уровня ответственности.

Список опубликованных работ но теме диссертации

1. Ещенко, О Ю. Оптимизация конструкции искусственного основания / О. Ю. Ещенко, Д. В Волик // Ма1ериалы V региональной конференции молодых ученых. - Краснодар, 2003. - С. 244-246;

2. Волик, Д. В. Фундаменты резервуаров для сейсмических районов. / О. Ю. Ещенко, Д. В. Волик // Материалы VI региональной конференции молодых ученых. - Краснодар, 2004. - С.243-244;

3. Волик, Д. В. Фундаменты вертикальных резервуаров в сейсмических районах. / К. Ш. Шадунц, О. Ю. Ещенко, Д. В. Волик // Международная конференция по геотехнике: Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика. - Санкт-Петербург, 2628 мая 2005г.-С. 175-177;

4. Волик, Д. В. Анализ влияния сейсмического воздействия на устойчивость вертикальных стальных резервуаров. / К. Ш. Шадунц, О. Ю. Ещенко, Д. В. Волик // Межвузовский тематический сборник трудов: Теоретические и практические проблемы геотехники. - СПбГАСУ, -Санкт-Петербург, 2005г. - С. 137-142;

5. Шадунц, К. Ш. Напряженно - деформированное состояние оснований современных зданий. Международный сборник научных трудов. / К. Ш. Шадунц, Д. В. Волик // Совершенствование качества материалов и конструкций. - Новосибирск 2004-2005г. - С. 53-56;

6. Фундамент вертикального стального резервуара для сейсмических районов : Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2004131922 от 01 11.2004 / Шадунц К. Ш„ Ещенко О. Ю., Волик Д. В.//;

7 Фундамент резервуара для сейсмических районов : Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2004138173 от 27.12.2004 / Шадунц К. 111., Ещенко О. Ю., Волик Д. В. //.

Подписано в печать 7 03,2006

Формат &0*.841/,в Заказ № 115

Объем 1,0 п. л Тира* -100 экэ

Бумага офсетная Офсетная печать

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет" 350044, г Краснодар, ул им Калинина , 13

J

!

t

\

Aûf>ôA_

»-563S

4

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Сейсмические нагрузки на фундамент и основание.

1.2. Методы расчета оснований и фундаментов.

1.2Л. Метод послойного суммирования.

1.2.2. Расчет численными методами.

1.2.3. Модели упругого основания.

1.3. Динамические модели грунтов.

1.4. Применяемые фундаменты.

1.4.1. На естественном основании.

1.4.2. В сложных геологических условиях.

1.4.3. Подготовка искусственных оснований.

1.4.4. Анализ патентных решений.

1.5. Экспериментальные исследования.

1.5.1. Вибрационные эксперименты.

1.5.2. Импульсное (ударное) нагружение.

1.5.3. Эксперименты, выполненные за рубежом.

1.6. Выводы.

2. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1. Моделирование основания и фундамента.

2.1.1. Выбор модели грунта.

2.1.2. Оценка применимости упругой модели;.

2.1.3. Выбор модели материала фундамента.

2.1.4. Обоснование оптимальных размеров расчетной области.

2.2. Учет цикличности воздействия нагрузки.

2.2.1. Методика испытаний.

2.3. Моделирование сейсмического воздействия.

2.4. Расчетная модель резервуара с жидкостью.

2.4.1. Модель вязкой жидкости.

2.4.2. Моделирование свободной поверхности жидкости.

2.4.3. Учет контактного взаимодействия жидкости и конструкции

2.4.4. Моделирование понтона.

2.5. Поверка численной модели.

2.5.1. Поверка модели резервуара с жидкостью.

2.5.2. Определение сходимости расчета.

2.5.3. Сравнение с результатами натурных наблюдений.

2.6. Выводы.

3. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

3.1. Обоснование основных параметров модели.

3.2. Влияние высоты налива продукта.

3.2.1. Высота волны и гидродинамическое давление.

3.2.2. Частота (и форма) собственных колебаний.

3.3. Влияние понтона.

3.3.1. Изменение высоты волны.

3.3.2. Собственные частоты и формы колебаний.

3.4. Влияние сжимаемости основания.

3.4.1. Напряженное состояние.

3.4.2. Осадки, крены и высота волны.

3.4.3. Собственные частоты и формы колебаний.

3.5. Влияние типа фундамента на НДС основания.

3.5.1. НДС снования.

3.5.2. Осадки, крены и высота волны.

3.6. Выводы.

4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ.

4.1. Выбор типа фундамента.

4.2. Определение сейсмической нагрузки.

4.3. Практическая реализация.

4.3.1. Фундамент РВС 20 000м3 на ПНБ «Кавказская».

4.3.2. Фундамент РВСп 30 000м3 на ПНБ «Заречье».

Актуальность темы. Число строящихся терминалов для хранения и транспортировки нефтепродуктов в последние годы увеличилось скачкообразно. С другой стороны, в связи с введением ОСР-97 значительная часть территории страны попала в сейсмически опасную категорию. В том числе, в Краснодарском крае ряд нефтебаз возводят на площадках различной сейсмичности, сложенных сжимаемыми грунтами. Большинство из возводимых резервуаров имеют значительный рабочий объем - от 20 000м3 до 100 000м3. В связи с этим проблема эксплуатационной надежности оснований и фундаментов резервуаров при сейсмических воздействиях имеет высокую актуальность.

Движение вязкой жидкости в баках при землетрясениях создает внецентренные сжимающие и сдвигающие усилия на фундаменты и основания, имеющие импульсный гидродинамический характер, что может привести к нарушению эксплуатационной надежности и разрушению резервуаров.

В результате обобщения данных о последствиях землетрясений на резервуары, можно сделать вывод о том, что основными причинами их аварий при сейсмических воздействиях являются: потеря устойчивости основания и разрыв днища резервуара (рост порового давления, «разжижение» грунта, уплотнение из-за девиаторной нагрузки и т.д.);

- пластические деформации оболочки резервуара в нижней части (так называемая «слоновая ступня») от действия гидродинамической нагрузки;

- продольный изгиб и разрушение верха стенки, уплотнительного пазуха и крыши резервуара от гидродинамического удара волны жидкости; отрыв подводящих патрубков при сейсмических подвижках основания.

Площадки резервуаров нередко сложены грунтами, (водонасыщенные пески, супеси и т. д.) которые способны проявлять тиксотропные свойства при динамических воздействиях. Прежде всего, такие грунтовые условия встречаются в поймах рек, старых руслах водоемов, искусственных намывных основаниях, около портовых территориях. Ниже, на (Рисунок 1) представлен пример сейсмического уплотнения основания резервуара (Япония, Кобе) в результате перехода грунта в квазижидкое состояние (тиксотропное разжижение).

Рисунок 1. Потеря устойчивости основания от «разжижения» грунта

Наиболее часто, потеря несущей способности оснований резервуаров вызывается резким ростом порового давления и (или) девиаторной нагрузкой при прохождении сейсмической волны. Это особенно ярко проявляется на площадках сложенных связными водонасыщенными грунтами с низким коэффициентом фильтрации (суглики и глины различной консистенции). В Краснодарском крае случай частичной потери несущей способности основания от высокого порового давления в «слабом» водонасыщенном основании резервуарного парка

ОАО НК "Роснефть-Туапсенефтепродукт" был зафиксирован от статической эксплуатационной нагрузки. Резервуарный парк располагается в пойме реки Туапсинки.

Моментальное увеличение порового давления в водонасыщенном основании вызывает снижение эффективных напряжений в скелете грунта что, как следствие, приводит к резкому падению (зачастую до нуля) величины угла внутреннего трения. Последующее значительное снижение сопротивления грунта сдвиговым деформациям на фоне скачка сейсмических касательных (девиаторных) напряжений вызывает аварийную временную потерю устойчивости «слабых» оснований и существенные остаточные деформации под фундаментами резервуаров.

Традиционно основное внимание при разработке сейсмически надежных резервуаров уделяется металлическим конструкциям баков, устройству плавающих крыш и гасителей колебаний жидкости (понтоны), анкеровке емкостей к фундаменту, в то время как вопрос обеспечения устойчивости оснований и фундаментов освещен недостаточно.

Цель исследования заключается в разработке методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных стальных цилиндрических вертикальных резервуаров (РВС) от сейсмического воздействия и обосновании рекомендаций по выбору типа фундамента для сейсмически опасных районов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

- анализ существующих методик расчета;

- разработка и обоснование численной модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание»; оценка влияния различных факторов на напряженно -деформированное состояние (НДС) грунтов основания крупных резервуаров;

- разработка рекомендаций по расчету сейсмических нагрузок;

- разработка эффективных конструкций искусственных оснований и фундаментов для резервуаров в сейсмически опасных районах.

Методы исследования. Поставленные задачи решались методом конечных элементов (МКЭ) с учетом «импульсного» временного характера действия гидродинамической нагрузки от хранимой жидкости. Для расчетов использовались детальные пространственные модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание». Сейсмическое воздействие моделировалось в явном виде путем интегрирования уравнений движения системы по времени методом Ньюмарка (прямой динамический расчет).

Научная новизна работы заключается в:

- разработке и обоснование МКЭ модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание»;

- оценке влияния различных факторов на НДС основания:

- высота взлива;

- наличие понтона;

- граничные условия;

- сжимаемость основания;

- тип фундамента;

- разработке рекомендаций по расчету воздействий сейсмических нагрузок.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается выполненными поверками расчетной модели путем сопоставления результатов численного, компьютерного моделирования с аналитическими и экспериментальными данными.

Для численного моделирования применялся надежный и апробированный конечно - элементный программный комплекс АЫБУБ 9.0А1 (С 10.09.02г. программа А^УБ бессрочно аттестована ► Госатомнадзором России. Регистрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ

КИ - 490).

Объектами исследования являются основания и фундаменты крупных вертикальных стальных резервуаров, расположенные в сейсмически опасных районах.

Практическое значение выполненных исследований заключается в: усовершенствовании методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных РВС от сейсмического воздействия; I - разработке рекомендаций по выбору типа фундамента для различных геологических условий площадки и интенсивности сейсмического воздействия;

- разработке и внедрении эффективных конструкций фундаментов крупных резервуаров для сейсмических районов.

На защиту выносится такие основные позиции как: ^ - методика численного моделирования системы «гибкий резервуар

- вязкая жидкость - фундамент - основание»;

- результаты численного моделирования;

- рекомендации по определению величины расчетной сейсмической нагрузки;

- рекомендации по выбору типа фундаментов РВС для I сейсмически опасных районов.

Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при проектировании оснований и фундаментов крупных резервуаров в различных частях Краснодарского края:

- расширение резервуарного парка на ЛПДС «Крымская» на 200 тыс. м3;

- разработка технического решения конструкции фундаментов резервуарного парка ЗАО КНПЗ «Краснодарэконефть»;

- три резервуара объемом по 20 000м3 на ПНБ «Кавказская»; математическое моделирование и разработка конструкций фундамента РВС 30 000м3 на ПНБ «Заречье»; математическое моделирование и разработка конструкции фундамента РВС 50 000м3 на месте демонтируемых ЖБР 10 000м3 ПНБ «Тихорецкая».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: инженерно-строительного факультета Кубанского ГАУ (Краснодар, 2001-2004), региональных (Краснодар, 2003-2005), а также на ряде семинаров кафедры оснований и фундаментов Кубанского ГАУ.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 5 печатных работ, подано 2 заявки на изобретения, получено 2 положительных решения о выдаче патента.

Структура работы, фактический материал и вклад автора.

Диссертация изложена на 112 страницах текста и состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 105 источников. Текст сопровождается 14 таблицами и 68 рисунками.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Фундаменты мелкого заложения способны обеспечивать эксплуатационную надежность резервуаров при сейсмичности 7 и 8 баллов только на грунтах 1 и 2 категории по сейсмическим свойствам (т.е. кроме сильно сжимаемых). При сейсмичности площадки 9 баллов и выше, а также на грунтах 3 категории необходимо применять свайные фундаменты;

2. Разработанная модель системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание» позволяет оценить влияние целого ряда факторов, от которых зависит эксплуатационная надежность вертикальных стальных резервуаров при сейсмических воздействиях;

3. «Импульсный» характер действия распределенной гидродинамической нагрузки на основание имеет существенно большую величину и неравномерность чем гидростатический вес жидкости в применяемых сейчас методиках расчета и проектирования резервуаров;

4. Упруго-пластическая модель дает существенное уточнение результатов расчета по сравнению с упругой только для грунтов III категории по сейсмическим свойствам. Для грунтов II и I категории упругая модель основания резервуара позволяет получить результаты с достаточной для практических целей точностью;

5. Наличие легкого понтона не оказывает существенного влияния на НДС основания и для определения расчетных нагрузок позволяет воспользоваться формулами для резервуаров со стационарной крышей; 6. Предлагаемые формулы позволяют корректно определить расчетную сейсмическую нагрузку на основание с учетом конвективного и импульсного эффектов, что дает возможность повысить эксплуатационную надежность объектов 1 уровня ответственности.

1. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. С.П. «Наука» 1998г;

2. Бугров А.К., Нарбут P.M., Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. Санкт Петербург, 1987г;

3. Весич А. Балки на упругом основании и гипотеза Винклера. "Механика грунтов и фундаментостроение". Стройиздат, 1966;

4. Власов В. В., Леонтьев H.H. Балки и плиты на упругом основании. Физматгиз, 1960;

5. Гамарник А. В. Из опыта проектирования и строительства оснований под резервуары. Нефтепромысловое строительство. 1975г. № 9.-С.11;

6. Герсеванов Н.М., Магерет A.A. К вопросу о бесконечно длинной балке на упругой почве, нагруженной силой Р. Сб.№8 трудов научно-исследовательского сектора. НКТП, Главстройпром, 1937;

7. Горбунов-Посадов М.И. Балки и плиты на упругом основании. Машстройиздат, 1949;

8. Горбунов-Посадов М.И. Расчет конструкций на упругом основании, Госстройиздат, 1953;

9. Давыдов С.С. Проектирование бетонных и железобетонных подземных конструкций. Изд-во ВИА им. В.В.Куйбышева, РККА, 1939;

10. Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных конструкций. Стройиздат, 1950;

11. Давыдов С.С. Расчет инженерных конструкций на упругом основании (учебное пособие). МИИТ, 1967;

12. Далматов Б. И. и др. «Механика грунтов. Ч. 1. Основы геотехники в строительстве». Издательство ABC; СПбГАСУ, 2000;

13. Динник А.Н. Круглая пластинка на упругом основании. Изв. Киевского политехи, ин-та, 1910;

14. Дутов Г.Д. Расчет балок на упругом основании. Изд-во "Кубич", 1929

15. Коренев Б.Г. Вопросы расчета балок и плит на упругом основании. Госстройиздат, 1954;

16. Егоров К.Е. К вопросу деформации основания конечной толщи. Сб. №34 НИИ оснований "Механика грунтов". Стройиздат, 1958;

17. Егоров К.Е. О расчете кольцевых фундаментов на сжимаемом основании. Сб.№54 НИИ оснований "Основания и фундаменты". Стройиздат, 1964;

18. Егоров К.Е. Расчет бесконечной длинной балки на упругом основании. "Гидротехническое строительство", 1938, №9;

19. Жемочкин Б.Н. Расчет балок на упругом полупространстве и полуплоскости. Изд-во ВИА им. В.В.Куйбышева, РККА, 1937;

20. Жемочкин Б.Н. Расчет круглых плит на упругом основании на симметричную нагрузку. Изд.-во ВИА им. В.В.Куйбышева, РККА, 1938;

21. Жемочкин Б.Н. Теория упругости. Стройвоенмориздат, 1948;

22. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании без гипотезы Винклера. Стройиздат, 1947;

23. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. Изд. 2. Госстройиздат, 1962;1 23. Зарецкий Ю.К., Ломбардо В.Н. Статика и динамика грунтовых плотин.

24. М., Энергоатомиздат 1983. С. 168-171;

25. Зиангиров P.C. Объемная деформируемость глинистых грунтов. М.: Наука, 1979.-164 с;

26. Иванов Ю.К., Коновалов П.А., Мангушев P.A., Сотников С.Н. «Основания и фундаменты резервуаров». М., Стройиздат, 1989;

27. Клейн Г.К. Учет неоднородности, разрывности деформаций и другихмеханических свойств грунта при расчете сооружений на сплошном основании. Сб. трудов МИСИ. Стройиздат, 1956;27.28,29.30,3132,33,3435,36,37