НАУЧНЫЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО РЕЗЕРВУАРА ПРИ НЕРАВНОМЕРНОЙ ОСАДКЕ ОСНОВАНИЯ

Аннотация. Цель данной статьи заключается в рассмотрении отечественных и зарубежных научных исследований анализа напряженно-деформированного состояния крупногабаритного резервуара при неравномерной осадке основания. Также в ходе работы было выяснено, как изменение параметров осадки влияют на возникновение предельных состояний металлоконструкций РВС 20000 на основе анализа напряженно-деформированного состояния.

Ключевые слова: резервуар вертикальный стальной (РВС), напряженно-деформированное состояние (НДС), программный комплекс ANSYS, неравномерная осадка основания, напряжения, деформации.

Резервуары стальные вертикальные (РВС) являются конструкциями повышенной ответственности и относятся к I-II классу опасности. Во многих случаях неравномерная осадка основания резервуара вызывает недопустимые нагрузки на металлическую конструкцию, что может привести к серьезным экологическим и материальным последствиям. Существующие методы не могут точно оценить возникновение напряженно-деформированного состояния (НДС) и критического состояния конструкции при возникновении неравномерной осадки. По данным [11], в настоящее время 30-40 % РВС обладают показателями неравномерной осадки, много превышающие критические значения. Часто причиной данной проблемы является то, что резервуары находятся на территории Западной Сибири, обладающей высокой заболоченностью. Не исключает тот факт, что неравномерная осадка может быть вызвана как ошибками при проектировании, при монтаже и испытаниях, при эксплуатации резервуарных конструкций. Поэтому целью настоящего исследования является изучение того, как изменение параметров осадки влияет на возникновение предельных состояний в металлоконструкции РВС 20000, на основе анализа напряженно-деформированного состояния. Такая задача традиционно решается силовым методом, который впервые был применен в работах С.П. Тимошенко [1] и В.В. Любушкина [2]. Так в работе С.П. Тимошенко [1] отображена расчетная схема, в которой дно рассматривается как пластина на упругом основании, а стенки представляют собой составные цилиндрические оболочки различной толщины. Автор использовал метод сил для расчета узла сопряжения стенки резервуара с днищем. В работах [3, 4, 2, 5] В.А. Бреннин, В.Б. Гэри Ф., В.В. Любушкин, А.А. Тарасенко использовали теорию разложения неравномерной осадки в гармоники рядов Фурье. Кривая усадки задавалась тригонометрическим полиномом. По количеству точек нивелирования производилось разложение в ряд Фурье, затем определялись основные состояния и производилось их сложение. Ряд Фурье аппроксимирует реальную кривую оседания, применение которых связано с поиском коэффициента Фурье. Поэтому использование данного метода не позволяет получить достоверные значения параметров, характеризующих реальное НДС конструкции.  В своих научных работах ученые из Японии С. Ямамото и К. Кавано [6, 7] в виде графических зависимостей предоставили информацию о напряжениях и деформациях, вызванных неравномерной осадкой основания РВС. Эти зависимости применимы заграницей и не могут быть использованы для оценки напряженно-деформированного состояния «родного» РВС из-за различий в конструкциях. Но при этом автор не предлагает решения проблемы, позволяющего получить аналогичные зависимости для отечественных резервуаров. При ремонте вертикальных стальных резервуаров в 30-40% случаях возникает проблема оценки уровня напряженно-деформированного состояния. Такая задача была рассмотрена в работе [8] при изучении осадок около 300 резервуарных конструкций. Поскольку аналитические метод не может с достаточной точностью определить напряжения, действующие на конструкцию днища, кромки и кровли, в качестве основного метода был выбран численный метод. Анализируя опыт и разработки отечественных и зарубежных исследователей, с учетом геометрической и физической нелинейности, идеальной геометрии металлоконструкции резервуара и его границы раздела, упругого контактного взаимодействия, была поставлена ​​задача создания численной модели, которая отражала бы работу реальной конструкции РВС. Основными геометрическими характеристиками неравномерной осадки внешнего контура днища являются массив точек с вертикальными отметками и длина по дуге. Участок фундаментного кольца размером L «вырезался» под стенкой резервуара, то есть стенка свободно провисала. Безразмерный параметр n, учитывающий осадки резервуара, будет использован для наглядного представления результатов расчетов:

                                                                                                            (1)

где

L - длина зоны деплантации, м;

R - радиус резервуара, м.

В 95% случаев и более, резервуары, имеющие деплантацию, попадают в промежуток значений n=1..6, что соответствует размерам зон неравномерной осадки от 12 до 72 м. Исходя из этого предлагается расчет НДС резервуарных конструкций при значениях n=1..6. Наряду с параметром n, определяющим геометрические размеры зон деплантации, основным параметром является взаимосвязь между величинами вертикальных перемещений точек узла сопряжения стенки и окрайки – u. Для изучения изменения напряженно-деформированного состояния резервуара был выполнен план эксперимента по методике [9]. Результаты вычислений выбранной модели РВС-20000 были рассмотрены в программе ANSYS. В испытании выполняются расчеты напряженного- деформированного состояния резервуара, при этом отдельно рассматриваются 2 случая – пустого и заполненного резервуара с параметрами при  n=1, n=2, n=3, n=4, n=5, n=6. На резервуар действуют нагрузки различного характера. Для моделирования зон неравномерной осадки вырезаются участки кольца фундамента заданного размера (грунт удаляется) по уравнению (1), в результате чего на краях и стенках зоны образуется «провис» - т.е. отсутствие контакта с основанием или сооружением этого сегмента (свобода движения дается по неравномерным зонам оседания). Полученные   значения представлены на рисунке 1 и рисунке 2. Для аналогии приведено численное решение работы И.В. Слепнева [10]. У Слепнева сделаны некоторые упрощения и допущения с помощью пакета программ «Лира».

Рисунок 1. Допустимая осадка наружного контура днища для зоны деплантации n (по И.В. Слепневу)

Рисунок 2. Допустимая осадка наружного контура днища для зоны деплантации n (численное решение в ANSYS)