Сейсмическая надежность оснований и фундаментов крупных резервуаров
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… Читать ещё >
Содержание
- 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
- 1. 1. Сейсмические нагрузки на фундамент и основание
- 1. 2. Методы расчета оснований и фундаментов
- 1. 2. Л. 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
- 2. 1. Моделирование основания и фундамента
- 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»
Сейсмическая надежность оснований и фундаментов крупных резервуаров (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 жидкостиотрыв 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 напряженнодеформированное 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 10.09.02 г. 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 воздействияI — 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.
Список литературы
- Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. С.П. «Наука» 1998г-
- Бугров А.К., Нарбут P.M., Сипидин В. П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. Санкт Петербург, 1987г-
- Весич А. Балки на упругом основании и гипотеза Винклера. «Механика грунтов и фундаментостроение». Стройиздат, 1966-
- Власов В. В., Леонтьев H.H. Балки и плиты на упругом основании. Физматгиз, 1960-
- Гамарник А. В. Из опыта проектирования и строительства оснований под резервуары. Нефтепромысловое строительство. 1975 г. № 9.-С.11-
- 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-
- Горбунов-Посадов М. И. Балки и плиты на упругом основании. Машстройиздат, 1949-
- Горбунов-Посадов М. И. Расчет конструкций на упругом основании, Госстройиздат, 1953-
- Давыдов С.С. Проектирование бетонных и железобетонных подземных конструкций. Изд-во ВИА им. В. В. Куйбышева, РККА, 1939-
- Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных конструкций. Стройиздат, 1950-
- Давыдов С.С. Расчет инженерных конструкций на упругом основании (учебное пособие). МИИТ, 1967-
- Далматов Б. И. и др. «Механика грунтов. Ч. 1. Основы геотехники в строительстве». Издательство ABC- СПбГАСУ, 2000-
- Динник А.Н. Круглая пластинка на упругом основании. Изв. Киевского политехи, ин-та, 1910-
- Дутов Г. Д. Расчет балок на упругом основании. Изд-во «Кубич», 1929
- Коренев Б.Г. Вопросы расчета балок и плит на упругом основании. Госстройиздат, 1954-
- Егоров К.Е. К вопросу деформации основания конечной толщи. Сб. № 34 НИИ оснований «Механика грунтов». Стройиздат, 1958-
- Егоров К.Е. О расчете кольцевых фундаментов на сжимаемом основании. Сб.№ 54 НИИ оснований «Основания и фундаменты». Стройиздат, 1964-
- Егоров К.Е. Расчет бесконечной длинной балки на упругом основании. «Гидротехническое строительство», 1938, № 9-
- Жемочкин Б.Н. Расчет балок на упругом полупространстве и полуплоскости. Изд-во ВИА им. В. В. Куйбышева, РККА, 1937-
- Жемочкин Б.Н. Расчет круглых плит на упругом основании на симметричную нагрузку. Изд.-во ВИА им. В. В. Куйбышева, РККА, 1938-
- Жемочкин Б.Н. Теория упругости. Стройвоенмориздат, 1948-
- Жемочкин Б.Н., Синицын А. П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании без гипотезы Винклера. Стройиздат, 1947-
- 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.
- М., Энергоатомиздат 1983. С. 168−171-
- Зиангиров P.C. Объемная деформируемость глинистых грунтов. М.: Наука, 1979.-164 с-
- Иванов Ю.К., Коновалов П. А., Мангушев P.A., Сотников С. Н. «Основания и фундаменты резервуаров». М., Стройиздат, 1989-
- 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