Варианты конструкции подвесных днищ трубчатых металлических резервуаров с двумя ячейками для хранения воды

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

RASI, José Roberto ^[1], CAUNETTO, Donizete ^[2], BROETTO, Jonathan Figueiredo ^[3]

RASI, José Roberto. CAUNETTO, Donizete. BROETTO, Jonathan Figueiredo. Варианты конструкции подвесных днищ трубчатых металлических резервуаров с двумя ячейками для хранения воды. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. 05-й год, Эд. 06, Vol. 12, стр. 111-135. Июнь 2020 года. ISSN: 2448-0959, Ссылка доступа: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/гражданское-строительство/варианты-конструкции

РЕЗЮМЕ

С ростом спроса на запасы воды из-за строительства новых подразделений и горизонтальных кондоминиумов, которые удовлетворяли потребности в минимальном динамическом давлении 100 kPa, резервуары начали иметь внутренние физические секции (вертикальные ячейки), верхняя ячейка которых имеет нижний размер подвешен на высоте, которая гарантирует необходимое манометрическое давление, соответствующее этому стандарту. Из-за отсутствия конкретных бразильских технических стандартов для хранения воды в металлическом резервуаре AWWA D100 использовался в качестве параметра определения размера для металлических резервуаров с несколькими вертикальными резервуарами для хранения воды или только частично, в основном из-за усилий. осевые элементы по бокам (манжеты) для определения допустимых напряжений при продольном изгибе (FL). В этой статье рассматривается проблема выбора наиболее подходящего типа подвесного днища вертикального металлического резервуара и сравниваются результаты пяти различных типов днищ, размер которых соответствует стандарту AWWA D100-05. В рамках типологии 5 проанализированных фондов наиболее экономичным оказался сегментированный сферический фонд.

Ключевые слова: Металлический танк, стандарт AWWA D100, приостановленные средства.

1. ВВЕДЕНИЕ

В этой статье рассматривается проблема выбора наиболее подходящего типа подвесного днища вертикального металлического резервуара и сравниваются результаты пяти различных типов днищ, размер которых соответствует стандарту AWWA D100-05.

С внедрением новых подразделений и горизонтальных кондоминиумов из-за стимулов государственной жилищной политики, в основном через жилищную программу Министерства городов, Minha Casa Minha Vida Program (Pereira, 2017), что привело к значительному увеличению спроса на Питьевая вода, в основном воздушная (above ground), цилиндрическая и различного диаметра и высоты, называемая водным замком.

В связи с необходимостью минимального динамического давления в сети общественного снабжения что в соответствии с NBR 12.218/1994, должно быть 100 kPa (10.20 m.c.a.), танки теперь имеют внутренние физические разделения (вертикальные клетки), верхняя ячейка которых имеет нижнее измерение приостановлено на высоте, которая гарантировала манометрическое давление, необходимое для удовлетворения этого стандарта, так как обычно квоты на землю не предлагают для танка, чтобы быть поддержаны.

Согласно Trees (1911), днища подвесных металлических резервуаров могут быть различных типов, например плоскими, коническими и сферическими или сегментированными сферическими.

Visal (2017) утверждает, что резервуары для хранения работают без давления (или очень мало), называемые атмосферными баками, отличая их от судов давления. Они, как правило, цилиндрической формы, перпендикулярно земле с плоским дном и фиксированным или плавающим потолком.

Проектирование и строительство атмосферных цилиндрических резервуаров требует знания конкретных технических стандартов, материалов и рабочей силы, соответствующих каждому типу применения, и включает в себя ряд других специальных услуг, поскольку аномалии и нарушения в этом оборудовании могут привести к большим финансовым потерям или даже гибели людей (Nunes, 2013).

По словам Gomes (2017), стандарты, обычно используемые в Бразилии для металлических танковых проектов и конструкций, являются NBR 7821, API 650 и AWWA D100.

NBR 7821/1983 – Сварные стальные цистерны для хранения нефти и деривативов, Бразильской ассоциации технических стандартов (ABNT) и американский нормативный стандарт API 650 – 2013 – Welded Steel Tanks for Oil Storage – American Petroleum Institute (API), специфичны для запаса нефти и деривативов.

Американские ассоциации водных работ AWWA D100-05 – Welded Carbon Steel Tanks for Water Storage, da American Water Works Associations направлен на обеспечение минимальных требований для проектирования, строительства, инспекции и тестирования новых сварных цистерн из углеродной стали для хранения воды атмосферного давления.

В рамках проектных требований AWWA D100 предлагает три метода определения допустимого напряжения потери устойчивости (FL) для цилиндрических секций, что позволяет проверить максимальное напряжение сжатия из-за осевой нагрузки и осевой нагрузки из-за ветровой нагрузки, приложенной к бокам. .

Из-за отсутствия конкретных бразильских технических стандартов для хранения воды в металлическом резервуаре, он был использован в качестве параметра размера для металлических резервуаров с несколькими вертикальными ячейками хранения воды, AWWA D100 в полном объеме или лишь частично, главным образом из-за осяных усилий на побережьях (virolas) для определения допустимых напряжений для раскряжевки (FL).

2. ЦЕЛИ

Общая цель

Общей целью данной статьи является измерение нескольких типов подвешенных дна верхней вертикальной металлической ячейки бака, состоящей из двух ячеек, в рекомендациях AWWA D100-05, с использованием программного обеспечения Autodesk Simulation Mechanical 2018.

Конкретные цели:

• Определите осяные нагрузки по бокам металлического бака нижней ячейки, в результате аксиальных и боковых нагрузок и сравнил их с допустимым стрессом пряжки в соответствии с тем, что предписывает 3.4 – Column, Strut, and Shell Stability Formulas  от AWWA D100 – 05.
• Определите вертикальные смещения подвесного фона.
• Определите общий вес предлагаемых приостановленных средств путем количественной оценки площади и толщины размерных пластин и вспомогательных конструкций.

3. МАТЕРИАЛ И МЕТОД

Танк, представленный в данной статье, представляет собой металлический резервуар для запаса воды, состоящий из двух ячеек, вместимостью 150,00 м³ каждая (всего 300,00 м³), с металлическим конусным покрытием (рисунок 1), с пятью типами подвесных дна (рисунки 2А; 2В; 2С; 2D и 2E).

Рисунок 1: Металлический бак из двух ячеек емкостью 300,00 м³.

Типология из 5 приостановленных средств предлагается:

Рис.: 2A – Плоские нижние радиальные балки и мачты

Рис.: 2B – Плоские нижние радиальные балки без мачты

Рис.: 2C – Плоские нижние ортогональные балки

Рис.: 2D – Конический фон

Рис.: 2E – Сегментированный сферическийфон

Рассмотрены действия ветра, хранимой воды (гидростатическое действие), перегрузки потолка и собственного веса конструкции (рисунок 3A), выпущенного в программном обеспечении Autodesk Simulation Mechanical.

Рисунок 3A – Загрузки

Рисунок 3B – Запуск загрузок в программное обеспечение

Согласно Andrade junior (1998), ветровое воздействие рассчитывается в соответствии с NBR 6123 – Силы, вызванные вето здания (1987), и, как правило, предполагается, что ветер может действовать в любом горизонтальном направлении. Поскольку конструкция резервуара асимметрична по отношению к оси Z, перпендикулярной направлению ветра, считается, что ветер может дуть перпендикулярно любой образующей в резервуаре.

Статический компонент давления ветра, который действует перпендикулярно элементу области, дается:

Коэффициенты внешнего давления C_pe выражены для типа тела структуры, предполагая для применения AWWA D100-05 то C_pe и Cf (Таблица 1).

Где q давление ветра в точке, где происходит застой воздуха, полученный из выражения 2:Скорость V₀ называется базовой скоростью, соответствует порыву в 3 секунды, оказываемому в среднем один раз в 50 лет, измеряется на 10 м над землей, в плоском и открытом месте. NBR 6123 (1987) представляет основные isopletas, в м/с. Для наших примеров был принят V₀ и 40 м/с.

Топографический фактор S₁ используется для оценки рельефа земли вокруг здания и принят равным 1,0 для наших примеров.

Фактор S₂ учитывает совокупный эффект пересеченности местности, изменения скорости ветра с высотой над местностью и размерами зданий. Фактор S₂ получен с помощью выражения 4:Где: Z = высота над землей, F_r = фактор порыва, b = метеорологический параметр, p = функция неровности местности и временного интервала. Для емкости высотой 16,0 м, шероховатости II, класс А, S₂ = 1,05.

Фактор S₃ является статистическим фактором, учитывающий степень требуемой безопасности и срок службы конструкции, учитывая установку резервуаров с низким человеческим оккупационным фактором (Andadre Junior, 1998), значение 0,95 было использовано.

По данным Haffez et al (2011), предполагается, что танки подвергаются равномерному давлению ветра (q), действуя вдоль оси Кью, как показано на рисунках 3 и 3B. AWWA D100-05 рекомендует использовать коэффициент сопротивления (Cf), в соответствии с формой структуры, согласно таблице 1. Для трубчатых цистерн цилиндрической формы принятый Cf составляет 0,6.

Таблица 1 – Коэффициент перетаскивания Cf

Есть:

V_k No 40 . 10 . 1,05 . 0,95 = 39,90 m/s

q = 0,613 . 39,902 = 975,90 N/m² ou 99,51 kgf/m²

Δ_p = 0,6 . 975,90 = 585,54 N/m² ou 58,71 kgf/m².

Гидростатическое действие генерирует эффекты, которые действуют в радиальных и вертикальных направлениях и приводят к боковому давлению сбоку и давлению в нижней части резервуара.

Конструкция накладных расходов, применяемых к потолку, в соответствии с AWWA D100-05 пункт 3.1.3.2, должно быть 750 N/m² (15 фунтов / фут²).

Собственный вес конструкции автоматически высвобождается программным обеспечением Autodesk Simulation Mechanical 2018 с учитывать специфический вес стали, используемой в размерах цистерн.

Толщина феролинового давления ферола из-за гидравлического давления бака должна быть рассчитана в соответствии с уравнением сек 3-40. 3.7 AWWA D100-05 – Cylindrical Shell Plates (уравнение7):

Где:

t = толщина конструкции корпуса (обоймы), мм

h_p = высота жидкости, м

D = диаметр резервуара, м

S = допустимое натяжение стали, МПа

E = эффективность сварки

G = Удельный вес жидкости (для воды = 1)

Минимальная толщина цилиндрической нити в контакте с водой должна быть в соответствии с таблицей 2 в соответствии с Sec. 3.2 AWWA D100-05. Для бака номинального диаметра 5,73 м минимальная установленная толщина составляет 4,76 мм.

Таблица 2 – Коэффициент перетаскивания Cf

AWWA D100-05 классифицирует структурные материалы, которые будут использоваться в цистернах, в 3 класса, в зависимости от лимита потока (Fy). В таблице 3 показана эта классификация.

Таблица 3 – Материальный класс как функция Fy

Для стенок, днища и крыши использован материал ASTM A36, который характеризуется модулем упругости (E), равным 205 000 МПа, коэффициентом Пуассона (µ), равным 0,30, плотностью (γ), равной 77 000 Н / мм³, предел текучести fy = 250,00 МПа и последнее напряжение f_u = 400,00 МПа. Материал, используемый в опорных конструкциях подвесных фондов (балки W и C) – ASTM A572 (класс 50) с пределом текучести fy = 345,00 МПа и предельным напряжением f_u = 450,00 МПа. Они классифицируются как материал 2-го класса.

В таблице 4 показаны основные допустимые нагрузки, предписанные AWWA D100-05, в зависимости от класса материалов и применений в резервуарах.

Таблица 4 – Допустимое напряжение в приложениях

Для проверки устойчивости из-за раскряжевки побережья танка, AWWA D100-05 предписывает 3 метода анализа. Для этой работы был использован метод 1, который является упрощенной процедурой, основанной на методах мембранного анализа. Для материалов класса 2 соотношение толщины/радиуса резервуара, к которому пряжка меняется от эластичной до неупругой (t/R)_c, составл_яет 0,0025372. Допустимый стресс для пряжки для материала класса 2 дается по следующим формулам:

Когда 0 ≤ t/R ≤ (t/R)_c означает, что раскряжевка происходит в эластичном режиме и допустимый стресс для раскряжевки дается уравнением 8:

Когда (t/R)_c ≤ t/R ≤ 0.0125 означает, что раскряжевка происходит в неупругом режиме и допустимый стресс для пряжки дается уравнением 9:Когда t/R > 0.0125, это означает, что раскряжевка происходит в пластике и допустимый стресс для пряжки является постоянным и стоит:

Таблица 5 – Значения эффективности сварки частично представлены из Table 15 Weld design values – tank plate joints, где представлены только значения сварки. Для работы на холсте рассматривалась двойная фронтальная ромашковая сварка с полной обивкой.

Таблица 5 – Значения эффективности сварки в %

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

Численное моделирование и анализ были сделаны с использованием коммерческого программного обеспечения анализа и структурного проектирования Autocad Simulation Mechanical 2018.  Каждая ферруля танка была смоделирована как элемент оболочки с постоянной толщиной конструкции, с изотропными свойствами и со средней плоскости централизованно расположены. В верхней части бака находится круговое вертикальное кольцо, смоделированное с профилем L, жестко прикрепленным к элемнетосу. Размеры конечного элемента 0,20 х 0,20 м (дискретизация). Для каждого типа бака, в соответствии с типологией каждого подвесного дна, была создана модель 3D конечного элемента (рисунок 4).

Рисунок 4: Дискретизированный металлический бак

Начиная с минимальной толщины в соответствии с таблицей 2, для определения размеров стороны также была проверена толщина из-за окружного давления, используя уравнение (7) и толщину из-за потери устойчивости, с определением допустимого натяжения (FL), с использованием уравнений (8) и (9) и осевых напряжений сторон, определенных программой Simulation Mechanical и сравниваемых с рассчитанными допустимыми напряжениями (FL). «Требуемая толщина каждого наконечника – это наибольшая толщина в пределах трех критериев.

В таблице 6 подробно показаны Van Misse, окружное напряжение и осяное напряжение в каждом ферруле из 5 танков, изученных с различными типами приостановленных средств.

Таблица 6 – Размер побережья в соответствии с AWWA D100 – 05

На рисунке 5 показан танк с толщиной, необходимой для каждого феррула стороны.

Рисунок 5: Танк с окончательной толщиной нити

Цифры 6A, 6B, 6C и 6D показывают результаты анализов со стрессами Van Misse, косвенными стрессами и осями напряжениями в каждом ферруле для бака с дном клетки 2, с радиальными лучами W и центральной мачтой. Значения, полученные в таблице 6. Равный анализ был сделан на других 4 танках, которые завершают эту работу.

Рис. 6A: Van Misse Напряженность в 3D Cut

Рис. 6B: Van Misse Напряженность

Рис. 6C: Циркумференциальные напряжения

Рис. 6D: Осяные штаммы

Приостановленные средства, проанализированные в этой работе, за исключением дна с радиальными лучами и центральной мачты (рисунок 2A), были разработаны как самостоятельно поддерживается и поддерживается только на стороне танков. Результаты анализа приведены ниже.

Подвесное дно с радиальными лучами типа W и центральной мачтой, геометрия которого показана на рисунке 7, где он имеет тот же номинальный диаметр бака, D = 5,730.00 мм, количество вспомогательных балок 18 штук, профиль пучка W = 310 x 28.3, лучевой материал W = ASTM A572 = класс 50, диаметр центральной мачты 640,00 мм, центральная толщина мачты = 6,35 мм, центральный материал мачтовой пластины = ASTM A36, толщина нижней пластины = 7,95 мм (5/16), нижняя пластина = ASTM A36.

Нижняя загрузка – гидростатическое давление h = 5,80 м.c.a.

Рисунок 7: Фоновая компоновка с радиальными лучами и центральноймачтой

Нагрузки на нижнюю пластину и вспомогательные балки показаны на рисунках 8A и 8B.

Рисунок 8A: Напряжения на подвесном нижнем максимальном напряжении 90.0 Mpa

Рисунок 8B: Напряжения на вспомогательных лучах Максимальное напряжение 64,9 МПА

Рисунок 8C: Вертикальные смещения (мм)

Рисунок 8D: Axial подчеркивается на мачте Максимальное напряжение  = 37,6 Mpa

Источник: сам автор

Подвесное дно с радиальными лучами типа W и без центрального, геометрия которого показана на рисунке 9, где он имеет тот же номинальный диаметр бака, D  = 5,730.00 мм, количество вспомогательных балок  = 18 штук, профиль луча W  = 310 х 44,5, лучевой материал W = ASTM A572 – класс 50, окружной опорный луч U 6″первая душа, лучевой материал U = ASTM A572 – 50-й класс, толщина нижней пластины  = 7,95 мм (5/16), нижний материал пластины – ASTM A36.

Нижняя загрузка – гидростатическое давление h  = 5,80 м.c.a.

Рисунок 9: – Фоновая компоновка с радиальными лучами и без мачты

Рисунок 9A – Напряжения на подвесном нижнем максимальном напряжении = 87.4 Mpa

Рисунок 9B – Напряжения на опорных лучах Максимальное напряжение = 89.2 MPa

Рисунок 9C – Вертикальные смещения (мм)

Подвесное дно с ортогональными балками (сеткой) типа W и без центрального, геометрия которого показана на рисунке 10, где он имеет тот же номинальный диаметр бака, D = 5,730.00 мм, количество вспомогательных балок = 10 штук, профиль луча W = 360 х 72, лучевой материал W = ASTM A572 – класс 50, окружной опорный луч U 6″первая душа, лучевой материал U = ASTM A572 – класс 50, толщина нижней пластины = 9,53 мм (3/8), материал нижней пластины – ASTM A36.

Нижняя загрузка – гидростатическое давление h = 5,80 м.c.a.

Рисунок 10: – Фоновая компоновка с ортогональными балками (решеткой) и без мачты

Рисунок 10A – Напряжения на подвесном нижнем максимальном напряжении = 79.9 Mpa

Рисунок 10B – Напряжения на опорных лучах Максимальное напряжение = 85,7 MPa

Рисунок 10C – Вертикальные смещения (мм)

Конусообразный подвесной дно, геометрия которого показана на рисунке 11 (разрез), где он имеет тот же номинальный диаметр бака, D = 5730,00 мм, толщина нижней пластины = 9,53 мм (3/8), материал нижней пластины = ASTM A36. Нижняя загрузка – гидростатическое давление h = 5,80 м.c.a.

Рисунок 11: – Схема конического днища в разрезе

Рисунок 11A – Напряжения на подвесном нижнем максимальном напряжении  = 90.8 Mpa

Рисунок 11B – Вертикальные смещения (мм) Максимальное напряжение 7,359 мм

Подвесное дно в полусфере или сегментированный сферический нижний формат, геометрия которого показана на рисунке 12 (разрез), где он имеет тот же номинальный диаметр бака, D = 5730,00 мм, толщина нижней пластины – 4,75 мм (3/16), материал нижней пластины = ASTM A36. Нижняя загрузка = гидростатическое давление h = 5,80 м.c.a.

Рисунок 12: – Схема вырезанного сегмента сферического фона.

исунок 12A – Напряжения на подвесном нижнем максимальном напряжении = 88.32 Mpa

Рисунок 12B – Вертикальные смещения (мм) Максимальное напряжение = 7,359 мм

Вес приостановленных средств рассчитывался без определения вырезок или использования закрылков и остатков, рассчитывая только поверхности пластин, умноженных на вес / м². В таблице 7 показано общее резюме весов 5 типов приостановленных средств, и эти различия можно увидеть в диаграмме общего веса x-фонда на рисунке 13.

Таблица 7 – Приостановленные весафонда

Рисунок 13 – Сравнение весов фонда

Вертикальные максимальные смещения подвесного дна показаны сравнительно на рисунке 14.

Рисунок 14 – Сравнение вертикальных максимальных смещений

5. ВЫВОДЫ

Из полученных результатов делается вывод о том, что сегментированный фонд сферической приостановки является наиболее экономически жизнеспособным, а также наиболее технически рекомендованным, поскольку он представляет собой самое маленькое вертикальное смещение под полной загрузкой.

Подвесное дно конусного типа также экономически жизнеспособно, но имеет вертикальное смещение при несколько чрезмерной загрузке, и его следует проверить, мешает ли оно трубам. Вертикальное смещение может быть уменьшено с использованием треугольных подкрепления пластин, поддерживающих дно сбоку.

Подвесное дно, поддерживаемое ортогональными лучами, совершенно нерентабельно.

ССЫЛКИ

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 7.821, Tanques soldados para armazenamento de petróleo e derivados. Rio de Janeiro, RJ. Abril de 1983.

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 6.123, Forças devido ao vento em edificações. Rio de Janeiro, RJ. Junho de 1988.

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 12.218, Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro, RJ. Julho de 1994.

ANDRADE JUNIOR, L. J. Análise estrutural das chapas metálicas de silos e reservatórios cilíndricos. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo, 1998.

API – American Petroleum Institute, API 650, Welded Steel Tanks for Oil Storage, decima terceira edição, Washington D. C., Março de 2013.

AWWA – American Water Works Association, AWWA D100-05, Welded Steel Tanks for Water Storage. Edição atualizada. Denver, Colorado. Maio 2005.

GOMES, E. F.  Soldagem em reservatórios metálicos para armazenamento de água. Trabalho de conclusão de curso. Curso de especialização em Engenharia de soldagem. Universidade Federal de Minas Gerais, 2017.

HAFEEZ, G., EL ANSARY, A. M. & EL DAMATTY, A. A. Effects of winds load son the stability of conical tanks. Can. J. Civ. Eng. 38, Published by NCR Research Press, 2011.

PEREIRA, P. M. F. Análise dos conjuntos habitacionais do programa Minha Casa, Minha Vida na cidade de Monte Alegre de Minas- MG.  Dissertação de mestrado. Faculdade de Geografia. Universidade Federal de Uberlândia, 2017.

TREES, M. J. Design of elevated steel tanks. Thesis. University of Illinois, Urbana-Champaign, 1911.

VISAL, B. & SIBIN, B. Design and analysis of storage tanks. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. Vol. 6, Issue 5. maio 2017.

^[1] степень магистра в области строительства и гражданского строительства; Специализация в промышленном строительстве; Специализация в области экологического машиностроения; Специализация в области техники безопасности; Инженер-строитель и инженер-механик.

^[2] Специализация в области структурного проектирования и гражданского строительства.

^[3] Инженер-строитель.

Отправлено: март 2020 года.

Утверждено: июнь 2020 года.