Крыши резервуаров. 
Вертикальные цилиндрические резервуары из стали повышенного давления

Для резервуаров повышенного давления используют сфероидальные или сфероцилиндрические крыши в виде распорной конструкции.

Опираются стационарные крыши на стенку резервуара (на кольцевой элемент жёсткости) и центральную стойку, либо только на стенку (распорная система). Для сферической крыши применяется только распорная конструкция. Бескаркасная крыша применяется при небольших снеговых нагрузках (до 1,5 кН/м2) и малых объёмах (до 5000 м³).

Каркас сферической крыши следует выполнять ребристым, ребристо-кольцевым или сетчатым (рис. 6.1). Сетчатые крыши экономичнее ребристых по расходу стали и трудоёмкости изготовления.

Угол наклона образующей конической крыши к горизонтальной поверхности принимается от ?4,7є (уклон 1:12) до ?9,5є (уклон 1:6).

Рис. 6.1 Конструктивные решения купольных покрытий а) ребристый; б) ребристо-кольцевой; в) сетчатый; 1 — нижнее опорное кольцо; 2 — верхнее опорное кольцо; 3 — рёбра; 4 — промежуточные кольца; 5 — сетка Минимальный радиус сферической поверхности равен 0,8D, максимальный радиус — 1,5D, где D — диаметр резервуара.

Минимальная толщина настила для конической кровли равна 4 мм, для сферической — 5 мм.

Конические и сферические каркасные крыши обычно состоят из сборных секторных щитов заводского изготовления. Щиты состоят из радиальных и поперечных рёбер (прокатные или гнутые профили) и обшивки из стальных листов. Количество щитов принимается из условия габаритности при перевозках (ширина щита должна быть в пределах 3,2 — 3,85 м).

Расстояние между поперечными (кольцевыми) балками назначается кратным 100 мм (в дальнейшем уточняется расчётом); длиной участка, примыкающего к опорному кольцу, обычно компенсируются возможные невязки.

Монтаж каркасных конических и сферических крыш производится с временной центральной стойкой. На ней устанавливается центральное кольцо, к которому крепятся все щиты кровли. Щиты между собой свариваются внахлёст.

Диаметр верхнего опорного кольца — 1500−2500 мм. Сферические крыши конструируют в виде ребристо-кольцевых куполов для резервуаров объёмом 6000 м³ и более и сетчатыми при объёмах 10 000 м³ и более. Допускается применение стационарных крыш из алюминиевых сплавов. Купольные алюминиевые крыши поставляются на российский рынок зарубежными фирмами, поэтому необходимо в соответствии с российскими нормами выполнять поверочные расчёты таких крыш.

Проектирование сферического покрытия (купола) начинают с назначения основных геометрических параметров: стрелы подъёма f, радиуса кривизны сферы rсф:

при f = (1/6) r, rсф? 3r. (Здесь и далее r— радиус резервуара).

Угол наклона касательной сферы на опоре.

б0 = arc sin r/rсф.

Центральный угол сферы б=2 б0.

Длину дуги купола.

Lk=2рrсф2 б0 / 360

следует разделить на целое число ярусов щитов, выделив предварительно радиус центрального кольца rцк. Радиус центрального кольца rцк назначают в пределах (0,04…0,06) r и потом уточняют после расчёта и конструирования радиальных рёбер.

Длину щита lщ по условиям транспортировки принимают не более 12 м (6…12 м). В результате определяется тип покрытия (ребристое или ребристо-кольцевое).

Если покрытие ребристо-кольцевое, то уточняют число ярусов щитов и одновременно устанавливают радиусы кольцевых элементов ri на границах ярусов. Далее следует определить число щитов в каждом ярусе nщ, исходя из ширины щита 3,0…3,6 м: nщ = 2р ri /(3…3,6) (размерность в метрах) — округляют до целого числа.

В каждом ярусе, очевидно, будет разное число щитов. Рекомендуется, чтобы это число в одном ярусе было кратно четырём. Кольцевые элементы устраивают в резервуарах объёмом более 20 000 м³.

Обычно проектируют одно кольцо даже в резервуарах объёмом 50 000 м³, чей диаметр не превышает 60 м, а щиты нижнего и верхнего ярусов выполняют из двух частей.

Для определения продольных усилий в радиальных рёбрах щитов разных ярусов необходимо знать углы наклона касательных по концам щитов с горизонтом.

Здесь xрасстояние по горизонтали от оси стенки резервуара до оси кольцевого элемента.

Нагрузки: При расчёте стационарных крыш резервуаров низкого давления учитывают две комбинации нагрузок:

1) расчётные нагрузки, действующие на покрытие сверху вниз: собственный вес конструкции крыши и теплоизоляции, снег, вакуум.

qv=gкр +gт+(pвак+s)ш;

2) расчётные нагрузки, действующие на покрытие снизу вверх: внутреннее избыточное давление в паровоздушной среде, ветровой отсос.

q^=(pизб+w)ш-gкр.

Вес теплоизоляции следует учитывать при наличии конкретных данных.

Снеговую нагрузку и собственный вес считают равномерно распределёнными по поверхности купола.

Ветровую нагрузку собирают с высоты 0,4H резервуара; при этом принято считать исходя из совместной работы купола и достаточно жёсткого опорного кольца, что 50% ветровой нагрузки передаётся на купол, 50% - на опорное кольцо.

Сферическое покрытие с радиальными рёбрами жёсткости на осесимметричную равномерно распределённую нагрузку с достаточной для практических целей точностью рассчитывают, расчленяя его на отдельные плоские арки, включающие по два диаметрально противоположных криволинейных щита.

Поскольку сферическое покрытие имеет по наружному контуру общее для всех щитов кольцо жёсткости, воспринимающее распор в арках, то оно рассматривается как общая затяжка для всех арок.

Поэтому каждую арку можно рассматривать как плоскую двухили трёхшарнирную арку с условной затяжкой.

Величину изгибающего момента и продольной силы определяют по формулам строительной механики.

Другой способ расчёта основан на представлении сферического покрытия в виде ребристой оболочки. При действии вертикальной симметричной нагрузки по всей поверхности оболочки вертикальные опорные усилия в ребре.

а меридиональные усилия.

Здесь, как и ранее, b0 — расстояние между рёбрами на опоре (ширина щита), б — угол наклона к горизонту касательной на опоре.

К продольным усилиям в ребре от действия вертикальной нагрузки следует добавить усилия от ветровой нагрузки.

Таким образом,.

Устойчивость ребра в вертикальной плоскости проверяется как устойчивость арки по формуле:

где S -длина полуарки;

м— коэффициент расчётной длины, для трёхшарнирной арки с отношением f/l = 0,05 — 0,3 принимают равным 1,2.

Конструкция опорного кольца зависит от величины распора. Это может быть прокатный уголок или швеллер, или составное сварное сечение. Опорное кольцо воспринимает распор купола, воздействие вакуума (избыточного давления) и ветрового напора на 0,4 высоты стенки.

Поскольку радиальные ребра купола передают на опорное кольцо значительные сосредоточенные усилия с достаточно большим шагом, в кольце, кроме продольной силы Nk, возникают изгибающие моменты.

Моп =Mmax и Мпр =Mср Продольная сила в кольце с учётом ветрового давления.

где P=Nрcosб — горизонтальная составляющая нормальной силы в ребре; Изгибающий момент под ребром.

момент между ребрами.

Здесь rk — радиус кольца;

Nрнормальная сила в ребре;

k — число щитов;

b — ширина щита.

бi — угол примыкания ребра к плоскости кольца Дополнительные усилия от местного воздействия ветра, вакуума или избыточного давления при приближенном расчете можно не учитывать. Таким образом, расчет опорно го кольца сводится к расчету его на прочность как растянуто-изогнутого стержня при первой комбинации нагрузок или на устойчивость при второй комбинации нагрузок.

Расчетная длина элемента кольца —расстояние между радиальными ребрами.

Центральное кольцо (см. рис. 6.8; 6.22) воспринимает усилия в рёбрах щитов верхнего яруса и работает на сжатие при нагрузке qv и на растяжение при нагрузке q^. В обоих случаях оно зафиксировано близко расположенными рёбрами и проверяется только на прочность.

Усилие в центральном кольце.

Наиболее простой приближенной расчетной схемой сферического ребристо-кольцевого купола является разрезная арка с затяжками в предположении, что все узлы шарнирные.

Это позволяет каждую отдельную арку рассматривать как арку на упругих опорах — горизонтальных кольцах в местах их пересечения с арками. Элементами арки являются радиальные балки (стропильные ноги) двух диаметрально противоположных щитов, опирающихся наружными концами на стенку резервуара. В элементах арки возникают продольные усилия и местные изгибающие моменты.

Рис. 6.2 Расчётная схема опорного кольца Продольные усилия в радиальном ребре (радиальных рёбрах) от суммы действующих нагрузок.

qрri² -нагрузка от части купола, лежащего выше рассматриваемого i-го сечения; в нашем случае рассматривают первое сечение на уровне верха стенки, второена уровне кольцевого элемента.

k — число щитов рассматриваемого яруса, k=2рri./bi;

bi — ширина нижней части щита рассматриваемого яруса;

бi — угол наклона касательной на опоре рассматриваемого сечения.

Wi⁰=0,5.0,4.Hkw0гfbice1 — сосредоточенная ветровая нагрузка на ребро (рёбра) щита нижнего яруса от ветрового напора, значение аэродинамического коэффициента ce1 можно принять равным единице.

Щиты покрытия могут иметь одно или два радиальных ребра. Во втором случае продольные усилия будут в два раза меньше.

Рис. 6.3 Расчётная схема радиального ребра нижнего яруса При определении продольных усилий в рёбрах щитов верхнего яруса горизонтальное воздействие ветра не учитывается.

Вертикальная нагрузка, вызывающая изгибающие моменты в радиальных рёбрах на участке между кольцевыми элементами распределяется в виде трапеции. Изгибающий момент в радиальных рёбрах определяют как для простой балки, пролётом равным расстоянию по горизонтали между кольцами. В запас прочности можно принять.

(Справочник проектировщика, расчётно-теоретический, под редакцией А. А. Уманского). Проверка прочности радиального ребра как сжато-изогнутого (первое сочетание нагрузок), или растянуто-изогнутого (второе сочетание нагрузок) проводится суммированием напряжений:

здесь, Ai и Wi — площадь и момент сопротивления ребра, гс = 0,9 — коэффициент условий работы купола.

Расчёт радиальных рёбер на устойчивость не проводится, поскольку к ним приварены поперечные рёбра щита и настил.

Кольцевой элемент, промежуточное кольцо, на которое опираются рёбра щитов нижнего и верхнего ярусов может быть растянутым при действии первой комбинации нагрузок qv и сжатым при второй комбинации q^.

Если число щитов в верхнем и нижнем ярусе одинаково, то в кольцевом элементе возникает местный изгибающий момент только от поперечной нагрузки передаваемой настилом qv или q^. Местный изгибающий момент от нагрузок qv или q^, собирают с грузовой площади в виде двух треугольников.

Кольцевой элемент проверяют по прочности аналогично и по устойчивости.

Кольцевые элементы располагаются между щитами покрытия, являясь одновременно соединительными по длине элементами. Не следует смешивать с кольцевыми элементами поперечные ребра щитов покрытия, не воспринимающих кольцевые усилия.

Поперечные рёбра щитов рассчитывают по схеме простых балок, как и в прямолинейных щитах (см. выше).