Сейсмическая надежность оснований и фундаментов крупных резервуаров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Волик, Дмитрий Викторович

• Волик, Дмитрий Викторович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волик, Дмитрий Викторович

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».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сейсмическая надежность оснований и фундаментов крупных резервуаров»

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.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Волик, Дмитрий Викторович

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 диссертационного исследования кандидат технических наук Волик, Дмитрий Викторович, 2006 год

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