Сейсмическое проектирование резервуаров по ASCE 7: нагрузки, анкеровка и конструкторская документация
Создано Сегодня
Сейсмическое проектирование резервуаров для хранения воды по ASCE 7
Сейсмическое проектирование резервуара для воды — это не решение, которое принимает поставщик резервуара; это решение, которое принимает владелец в передаваемых документах. ASCE 7 рассматривает резервуар как нездачное сооружение по главе 15, а не как неконструктивный элемент по главе 13, поскольку резервуар реагирует на землетрясение как сооружение, обладающее массой, свободной поверхностью, анкеровкой и оболочкой, а не как оборудование, подвешенное к зданию. На него действуют две сейсмические составляющие: импульсная составляющая, создаваемая массой воды и оболочки, движущейся вместе с грунтом, и конвективная составляющая, создаваемая плесканием воды на поверхности. Плескание — вот почему надводный борт является сейсмическим требованием, а не формальностью, а анкеровка — вот почему увеличенный анкер является плохим решением, поскольку требуется, чтобы анкер yielded и развил растяжение прежде, чем это сделает оболочка, и бетон должен развить эту прочность по всей длине заделки. В этой статье излагаются две составляющие, требование к надводному борту, пластичность анкеровки, разрушение, предотвращаемое гибкостью трубопроводов, проверки юбки и опор, исходные данные, которые должен предоставить владелец, то, что относится к объёму работ поставщика резервуара, и геотехнический интерфейс, замыкающий цикл для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
Почему резервуар — это нестроительное сооружение, а не неконструктивный элемент
Резервуар для воды — это не компонент, подвешенный к конструкции. Это сооружение с большой массой, свободной поверхностью, оболочкой, несущей эту массу, и анкерным креплением, передающим всё в грунт. Глава 15 ASCE 7 рассматривает резервуары и сосуды как нетиповые сооружения и содержит сейсмические положения, отражающие их поведение. Глава 13 регулирует неконструктивные компоненты в зданиях, где нагрузка представляет собой коэффициент усиления компонента на уровне опоры. Использование подхода по Главе 13 даёт нагрузку, не имеющую физического смысла, и резервуар, спроектированный таким образом, пройдёт проверку несущей способности анкеров, но не пройдёт проверку того, что действительно важно для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
Две сейсмические компоненты, воздействующие на резервуар
Импульсная и конвективная составляющие рассчитываются отдельно, поскольку они действуют в разные периоды и создают различные нагрузки. Импульсная составляющая представляет собой короткопериодный отклик, вызванный массой оболочки и движущейся вместе с ней воды, и она определяет кольцевое напряжение в оболочке, осевую нагрузку на анкерное крепление и проверку на устойчивость. Конвективная составляющая представляет собой длиннопериодный отклик от колебаний воды по поверхности и определяет надводный борт и нагрузку на крышу. Проект, в котором указана только одна сейсмическая нагрузка, отражает лишь одну из двух для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
Аспект | Импульсная компонента | Конвективная компонента |
Возбуждается | Оболочка и масса жидкости, движущаяся вместе с грунтом | Колебания жидкости на свободной поверхности |
Период | Короткий, близкий к собственной частоте системы «оболочка–жидкость» | Длинный, секунды для большого резервуара |
Определяет | Кольцевое напряжение, осевая нагрузка на анкеры, устойчивость | Надводный борт, уровень жидкости, нагрузка на крышу |
Проверяется в | Проектирование оболочки и анкеров | Расчёт надводного борта, приёмка крыши |
Волнение и почему надводный борт является сейсмическим требованием
Волнение — это та часть сейсмической задачи, которую чаще всего оставляют в виде примечания на чертеже. Когда вода движется, она поднимается с одной стороны резервуара и опускается с другой, и высота волны зависит от диаметра резервуара, глубины воды и интенсивности сотрясения. Если надводный борт меньше волны, вода достигает крыши, рассчитанной на постоянную нагрузку и умеренное поднятие, а вихрь у стенки понижает уровень в центре для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
Таким образом, надводный борт является результатом сейсмического расчета, а не номинальным допуском. Высоту всплеска необходимо рассчитать по конвективной составляющей и добавить к проектному уровню жидкости, а затем проверить на соответствие крыше. Надводный борт, заданный как фиксированная доля высоты резервуара, приводит к тому, что резервуар фактически заполнен при землетрясении для сейсмического расчета резервуаров по ASCE 7
Анкеровка: почему увеличенный анкер — не лучшее решение
Смысл не в том, чтобы анкер удерживал резервуар; смысл в том, чтобы анкер уступал раньше оболочки, а затем растягивался, чтобы резервуар мог двигаться без разрыва оболочки или сварного шва. Анкер, завышенный для этого замысла, лишает систему пластичности: бетон или анкер первыми достигают предельного состояния, либо соединение разрушается хрупко, и резервуар теряет способность перераспределять нагрузку. Поэтому прочный анкер не является автоматически безопасным, и в детали необходимо указывать требование к анкеровке, а не только к несущей способности: глубину заделки, достаточную для полного включения бетона в работу, пластичный анкер и конструкцию, позволяющую оболочке поворачиваться для сейсмического расчёта резервуаров по ASCE 7.
· Прочность: несущая способность превышает усиленную нагрузку на анкер для сейсмического расчета резервуаров по ASCE 7
· Пластичность: анкер деформируется и растягивается до разрушения оболочки для сейсмического расчета резервуаров по ASCE 7
· Закрепление: глубина заделки рассчитана так, чтобы бетон обеспечил полную прочность анкера для сейсмического расчета резервуаров по ASCE 7
· Материал: пластичная анкерная сталь, хрупкий сдвиг по поверхности бетона исключен для сейсмического расчета резервуаров по ASCE 7
· Сопряжение: схема расположения анкеров проверена на соответствие способности оболочки к перемещениям для сейсмического расчета резервуаров по ASCE 7
Гибкость трубопроводов и отказ, который она предотвращает
Трубопровод, подключённый к резервуару, — это сейсмический отказ, ожидающий следующего события. Корпус перемещается при импульсной нагрузке; труба — нет. Там, где труба жёстко соединена с патрубком, относительное перемещение передаётся в патрубок, сварной шов и опору, и самое слабое из трёх становится точкой отказа, намного ниже несущей способности резервуара. Решение — гибкое соединение, рассчитанное по результатам анализа для сейсмического расчёта резервуаров по ASCE 7
Это имеет последствия для закупок, которые проявляются задолго до выполнения расчёта. Количество, размер, расположение и направление патрубков должны быть согласованы с проектировщиком трубопроводов, поскольку гибкость нельзя добавить после сварки для сейсмического расчёта резервуаров по ASCE 7
Проверки опорной юбки и опор и допущение о консервативном соотношении
Цилиндрическая оболочка на опорной юбке представляет собой конструктивный узел, и определяющим является корпус непосредственно над опорой. Важны две проверки: проверка устойчивости оболочки на ненагруженной длине до первого кольца промежуточных ребер жёсткости, а также осевое и окружное сжатие, которое воспринимает юбка от сейсмического опрокидывающего момента и ветровой нагрузки. Проверка устойчивости обычно выполняется с консервативным допущением о кольцевой жёсткости, отношением R/I, равным 1,0, и расчёт должен содержать указание этого допущения для сейсмического расчёта резервуаров по ASCE 7.
Сама юбка проверяется на осевое сжатие и на момент опрокидывания, а соединение анкерного кольца — это место, где реализуется рассмотренная выше податливость анкеровки. Резервуар на юбочной опоре — это также случай, где соотношение высоты к диаметру имеет наибольшее значение: на высоком корпусе на стройной опоре импульсная анкерная нагрузка и свободный борт при взбалтывании растут, тогда как сдвиг основания — нет, для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Исходные данные, которые владелец должен предоставить до начала проектирования
Владелец располагает большинством исходных данных, необходимых для сейсмического проектирования резервуара, и если их нет в тендерной документации, поставщик вынужден их предполагать, а это неподходящее место для сейсмических допущений. Класс площадки и связанные с ним сейсмические параметры определяют спектр проектирования и категорию проектирования; категория проектирования и категория риска определяют, какие положения применяются; базовая скорость ветра и категория экспозиции задают ветровой случай, который часто определяет анкеровку для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Обычно отсутствуют два входных параметра процесса: проектный уровень жидкости и плотность, которые определяют сейсмическую массу и глубину плескания, а также график патрубков с подводкой трубопроводов, который фиксирует требования к гибким соединениям до изготовления для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Исходные данные владельца | Источник данных | Что определяет |
Класс площадки и Ss / S1 | Геотехнический отчёт, сейсмические данные площадки | Проектный спектр и категория сейсмостойкости |
Категории сейсмостойкости и риска | Критерии конструктивных норм для назначения | Какие положения главы 15 применяются |
Базовая скорость ветра, категория экспозиции | Критерии ветровых норм для площадки | Ветровой случай для обечайки, крыши, анкеровки |
Геотехнический отчёт | Инженерно-геологические изыскания | Фундамент, взаимодействие, разжижение, осадка |
Проектный уровень жидкости, плотность, объём | Технологические и эксплуатационные данные | Сейсмическая масса и глубина плескания |
График патрубков и подход трубопроводов | Проектировщик трубопроводов, технологические данные | Деталь гибкого соединения, усиление патрубка |
Что входит в сейсмический объём поставки резервуара
Сейсмический объём поставки резервуара следует указывать в виде перечня, поскольку фраза «резервуар будет рассчитан на сейсмические нагрузки» сама по себе ничего не значит. Перечень обычно включает расчёт стенки и днища для сейсмического сочетания, конструкцию крыши, расчёт анкеровки с требованиями к её заделке, расчёт плескания и надводного борта, а также нагрузки на патрубки и фундамент для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
Если площадка находится в сейсмической зоне, в рабочих чертежах должен быть указан сейсмический расчётный случай, чтобы проверяющий мог сравнить его с исходными данными заказчика, а не выводить его из примечания. В перечень не должен входить конкретный сейсмический расчёт, представленный как переносимый: тот же резервуар в другом классе площадки является другой конструкцией для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
Геотехнический интерфейс и контрольный список сейсмических спецификаций
Геотехнический отчёт делает больше, чем просто задаёт фундамент. Оценка разжижения, прогноз осадки и допущение о взаимодействии грунта и сооружения — всё это влияет на проектирование резервуара, причём последнее является проектным решением, а не фактом площадки: предполагается ли, что грунт движется вместе с сооружением или является податливым, — это меняет период импульсной составляющей и нагрузку на анкер. Там, где отчёт умалчивает, допущение должно быть сформулировано и проверено для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
· Укажите сейсмический стандарт и его редакцию, а также укажите, что резервуар является незданием для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
· Перенесите класс площадки, Ss и S1, категории сейсмического проектирования и риска для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
· Укажите проектный уровень жидкости, плотность и уровень, используемый для сейсмической массы при сейсмическом проектировании резервуаров по ASCE 7
· Требовать расчёт плескания и указывать надводный борт как размер на чертеже для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
· Требовать, чтобы в анкеровке были указаны длина анкеровки и требование к вытяжке для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
· Требовать, чтобы проверка устойчивости оболочки указывала принятое соотношение R/I для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
· Требовать гибкое соединение для каждого патрубка, рассчитанное на расчётное перемещение для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
· Указывать геотехнические допущения и вопросы, переданные на усмотрение инженера, для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
· Требовать указания сейсмического расчётного случая и деталей анкеровки на чертежах для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
Пример из практики проекта
Справочная информация о поставке для данного режима, взятая из проверенной библиотеки проектов. Уровень соответствия C. Поставка с двумя резервуарами с высоким отношением высоты к диаметру, указанная как справочная информация по геометрии и компоновке. В проверенной библиотеке не зафиксированы входные данные для сейсмического проектирования, класс площадки или детали анкеровки, поэтому в данной статье проект не используется для демонстрации сейсмических характеристик, как подробно описано для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
Идентификатор проекта | Страна | Продукт | Ёмкость | Количество резервуаров | Размеры | Завершение | Объём поставки |
SIN-FIRE-1666 | Сингапур | Болтовой резервуар со стеклоэмалевым покрытием (GFS) | 1 666 м3 | 2 | φ8,41 × 15,0 м (В) на резервуар | 2026-01 | Только резервуар |
Поставка двух резервуаров с высоким отношением высоты к диаметру, приведённая в качестве справочника по геометрии и компоновке. В проверенной библиотеке не зафиксированы входные данные сейсмического проектирования, класс площадки или детали анкеровки, поэтому в данной статье проект не используется для демонстрации сейсмических характеристик, как подробно описано для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
Часто задаваемые вопросы
В1. Почему резервуар классифицируется как нестроительная конструкция?
Потому что он реагирует на землетрясение как конструкция, а не как оборудование, прикреплённое к ней. Он обладает большой массой, свободной поверхностью, оболочкой, несущей эту массу, и анкеровкой, передающей всё в грунт. Глава 15 ASCE 7 содержит сейсмические положения для резервуаров и сосудов на этой основе, тогда как глава 13 регулирует неконструктивные компоненты в зданиях для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
В2. Какие два сейсмических компонента действуют на резервуар?
Импульсная составляющая — краткопериодический отклик, создаваемый оболочкой и содержащейся в ней жидкостной массой, движущейся вместе с грунтом, — определяет кольцевое напряжение оболочки, осевую нагрузку на анкеры и проверку оболочки на устойчивость. Конвективная составляющая — длиннопериодический отклик, создаваемый колебаниями жидкости на свободной поверхности, — определяет достаточность надводного борта и нагрузку на крышу. Проект, в котором указывается только одна нагрузка, сообщает лишь об одной из двух для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Вопрос 3. Является ли надводный борт сейсмическим требованием или только формальностью норм?
Это сейсмическое требование, за которым стоит расчёт. Волна колебаний поднимается с одной стороны резервуара и опускается с другой, и её высота зависит от диаметра резервуара, глубины воды и интенсивности колебаний. Если надводный борт меньше волны, вода достигает крыши, рассчитанной на постоянную нагрузку и умеренное подъёмное усилие. Высота должна определяться по конвективной составляющей для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Вопрос 4. Почему чрезмерно большой анкер является проблемой?
Потому что сейсмический замысел состоит не в том, чтобы анкер удерживал резервуар, а в том, чтобы он уступал раньше оболочки и затем развивал растяжение, так чтобы резервуар мог двигаться без разрыва оболочки или сварного шва. Анкер завышенного размера устраняет эту пластичность: бетон или анкер первыми достигают предельной несущей способности, либо соединение разрушается хрупко. Конструкция требует длины анкеровки для полной прочности анкера и пластичного материала анкера для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Вопрос 5. Какое разрушение предотвращает гибкая трубопроводная обвязка?
Она предотвращает передачу относительного перемещения между оболочкой и жёстко присоединённым трубопроводом в патрубок, сварной шов и опору. Оболочка перемещается под импульсной нагрузкой, а трубопровод — нет, и самый слабый из этих элементов становится точкой разрушения, обычно значительно ниже несущей способности резервуара. Гибкая муфта или компенсаторная петля, рассчитанные на расчётное перемещение, предотвращают это для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
В6. Какие исходные данные должен предоставить владелец до начала проектирования?
Класс площадки с соответствующими Ss и S1, категорию сейсмостойкости и категорию риска, базовую скорость ветра и категорию экспозиции, а также геотехнический отчёт, включая оценку разжижения и осадки. Не менее важны два технологических исходных параметра: проектный уровень и плотность жидкости, которые определяют сейсмическую массу и глубину плескания, и график патрубков с трассировкой трубопроводов, который фиксирует деталь гибкого соединения для сейсмического расчёта резервуара по ASCE 7
В7. Что должно входить в объём поставки поставщика резервуара?
Резервуар как конструкция: конструкция оболочки и днища для сейсмического сочетания, конструкция крыши и её крепление, конструкция анкеровки или опор, включая материал анкеров и требования к их заделке, расчёт взбалтывания и свободного борта, нагрузки на патрубки, которые должен учитывать проектировщик трубопроводов, и нагрузки, передаваемые на фундамент. Элементы интерфейса должны быть в том же списке: геотехнические параметры, используемые для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Q8. Как осуществляется геотехническое взаимодействие?
В геотехническом отчёте, который не ограничивается только проектированием фундамента. Оценка разжижения, прогноз осадки и допущение о взаимодействии грунта и сооружения — всё это влияет на проектирование резервуара, причём последнее является скорее решением, чем фактом площадки: допущение о том, что грунт движется вместе с сооружением или ведёт себя гибко, изменяет период импульсной составляющей и нагрузку на анкер. Там, где отчёт умалчивает, допущение должно быть указано для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7
Q9. Что должно входить в контрольный перечень сейсмических требований?
Девять пунктов: сейсмический стандарт и редакция с резервуаром, идентифицированным как нестроительная конструкция; класс площадки, Ss и S1, сейсмическая категория проектирования и категория риска; проектный уровень жидкости и плотность, используемые для сейсмической массы; расчёт плескания с надводным бортом в качестве размерного параметра чертежа; длина анкерной заделки и требование; проверка устойчивости оболочки с коэффициентом R/I; гибкая деталь для каждого патрубка согласно сейсмическому проектированию резервуаров по ASCE 7
Сейсмический расчет резервуара выполняется до вычерчивания стенки, в рамках класса площадки, категории проектирования, обоснования свободного борта и принципа анкеровки, которые передает заказчик. Два компонента должны рассматриваться раздельно: импульсивный — для стенки, анкеров и проверки на устойчивость, и конвективный — для волны плескания и свободного борта, поскольку резервуар оценивается по обоим. Ошибка в выборе точки анкеровки чаще всего совершается в сторону ложной прочности: более крупный анкер устраняет пластичность, требуемую стандартом, так как требование состоит в том, чтобы анкер уступал и растягивался раньше стенки, а бетон развивал эту прочность по всей длине заделки. Резервуар, проходящий проверку по несущей способности и не отвечающий этому принципу, не соответствует сейсмическим требованиям; он прочнее, чем нужно, и хрупок в неправильном месте для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
Связаться с инженером
Передайте класс площадки со связанными Ss и S1, категорию сейсмостойкости и категорию риска, базовую скорость ветра и категорию экспозиции, геотехнический отчет, включающий оценку разжижения и осадки, диаметр резервуара и высоту опоры, проектный уровень и плотность жидкости, а также график патрубков со схемой трубопроводов. Мы вернем проектное обоснование, в котором резервуар рассматривается как незданое сооружение, импульсная и конвективная составляющие указываются отдельно, приводится расчет плескания и надводного борта, а также указывается анкеровка для обеспечения пластичности и развития, а не только несущей способности, с включением проверок устойчивости оболочки и юбки и требований к гибким соединениям для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
О Center Enamel
Шицзячжуан Чжэнчжун Текнолоджи Ко., Лтд. (Center Enamel) — профессиональный производитель, специализирующийся на проектировании и изготовлении сборных резервуаров для хранения с 2008 года. Ассортимент продукции включает резервуары из стеклоплавильной стали (GFS), резервуары с эпоксидным покрытием методом плавления (FBE), резервуары из нержавеющей стали, оцинкованные стальные резервуары и алюминиевые геодезические купольные крыши, а также техническую поддержку EPC и вспомогательное оборудование для резервуаров. Производство осуществляется в соответствии со стандартами ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001, а ассортимент продукции сертифицирован по NSF/ANSI 61, WRAS, CE и EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 и NFPA там, где этого требует применение. Компания владеет почти 200 патентами на эмалирование, располагает производственной базой площадью 150 000 м2, выпускает около 300 000 стальных пластин с эмалевым покрытием в год, завершила более 30 000 реализованных проектов и поставила резервуары более чем в 100 стран. Возможности инженерного проектирования охватывают объёмы резервуаров до 60 000 м3, как подробно описано для сейсмического проектирования резервуаров по ASCE 7.
WhatsApp