Расчет колонных аппаратов на действие ветровых нагрузок. Расчетная схема, расчетные состояния. Определение осевой нагрузки.

Расчет на ветровую нагрузку по стандарту состоит из двух частей, в первой из которых определяются изгибающие моменты от ветровых нагрузок в каждом расчетном сечении по ГОСТ 51273-99, а во второй - производится расчет на прочность и устойчивость отдельных элементов аппарата по ГОСТ 51274-99.

Расчету на ветровую нагрузку подлежат все колонные аппараты установленные на открытых площадках.

На колонные аппараты могут действовать следующие нагрузки: Рвн, Рнар, G, Мизг.

Цель расчета на ветровую нагрузку: проверить прочность и устойчивость основных элементов колонного аппарата под суммарным воздействием всех нагрузок при толщине стенки, найденной только под действием внутреннего давления.

Под действием ветровой нагрузки колонна совершает колебания по оси х; При обтекании создается разряжение в этом случае происходит схлопывание пузырей воздуха поочередно в 1 и 4 кв. позади колонны создается вихревая дорожка Кармана с шахматным расположением вихрей. Вихри создают периодическую пульсацию, которая передает колебания колонне в направлении, оси у, в результате колонна совершает сложное колебательное движение. Возникают динамические нагрузки которые сущ-но уменьшают прочность колонного аппарата.

Порядок расчета колонного аппарата от ветровой нагрузки следующий:

- определяются исходные данные;

- разрабатывается расчетная схема аппарата, определяется количество участков z и их параметры (высота участка h_i, расстояние от поверхности земли до центра тяжести i-го участка –x_i);

- определяется период собственных колебаний для трех расчетных условий υ = 1; 2; 3;

- находятся ветровые нагрузки Рi на каждом участкедля трех расчетных условий υ = 1; 2; 3;

- определяются изгибающие моменты М_v в каждом из расчетных сечений аппарата (Г-Г, Д-Д, Е-Е) для υ = 1; 2; 3;

- проводится проверка прочности и устойчивости стенки корпуса колонного аппарата для υ = 1; 3 в следующих расчетных сечениях:

а) для аппаратов постоянного поперечного сечения - в сечении В-В (т.е. в поперечном сечении, где корпус присоединяется к опорной обечайке), под суммарным воздействием Р_рас, Fи Мυ;

б) для аппаратов переменного сечения – в поперечных сечениях корпуса, переменных по диаметру и/или толщине стенки, если не выполняется проверка прочности или устойчивости корпуса, необходимо увеличить толщину стенки и весь расчет повторить;

- выбирается тип опорной обечайки и определяются все размеры опорного узла;

- производится проверка прочности сварного шва в сечении Г-Г под суммарным воздействиемFи Мυ для υ = 1; 2;

- производится проверка устойчивости опорной обечайки в сечении Д-Д под суммарным воздействием Fи Мυ для υ = 1; 2;.

(если не выполняется проверка прочности или устойчивости корпуса или опорной обечайки, необходимо увеличить толщину стенки и весь расчет повторить);

- проводится расчет элементов опорного узла для υ = 1; 2:

а) проверяется прочность бетона в сечении Е-Е под суммарным воздействием Fи Мυ.

б) производится расчет анкерных болтов.

Расчетная схема колонного аппарата.

Колонну разбивают на z участков высотой hi (i-номер участка). Нумерация участков сверху вниз. Высота одного участка – не более 10 м. Высоты участков могут быть разными. Если аппарат переменного сечения, то граница участков не может проходить в пределах конуса (только по большему или меньшему основанию). Нагрузка в пределах участка равномерна. На расчетной схеме КА представляется в виде упруго защемленного стержня. P – ветровая сосредоточенная нагрузка, G – вес участка.xi- расстояние от земли до центра тяжести i-го участка. Колонна рассматривается как упруго защемленный стержень.

Расчетные сечения. По ГОСТу 51274-99 в качестве расчетных сечений выступают расчетные сечения:

1)В-В - где соединяется днище с цилиндрической обечайкой или

- где изменяется либо диаметр, либо толщине стенки, либо материал.(В₁-В₁ , В₂-В₂)

2) опасные сечения для корпуса, где эксцентрично приложены нагрузки.

3) Г-Г, где соединяется опорная обечайка с днищем. (Г-Г и В-В отличаются друг от друга на 200 мм по высоте). В КП – Г-Г совмещается с В-В.

4) Д-Д – наиболее ослабленное сечение опорной обечайки. В КП – опасное сечение проходит по оси лаза и учитывается только 1 отверстие.

5) Е-Е, где соединяется нижнее опорное кольцо с фундаментом. В КП – Е-Е совпадает с поверхностью земли.

Все расчеты аппарата необходимо проводить параллельно для трех расчетных условий:

- рабочее условие (условное обозначение - υ = 1);

- условия испытания (υ = 2);

- условия монтажа (υ = 3).

Расчетные условия отличаются набором исходных параметров, которые определяются следующим образом:

- рабочее условие. В этом случае:

а) вес аппарата - G₁ включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, рабочей среды;

б) расчетное давление в рабочих условиях - р_рас =р^t_рас;

в) расчетная температура - t_рас;

г) допускаемое напряжение при расчетной температуре - [σ]_t;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре t_рас - Е_t;

- условие испытания (υ = 2). Для этих условий:

а) вес аппарата – G₂ включает вес корпуса и опорной обечайки, обслуживающих площадок, изоляции, внутренних устройств, воды;

б) расчетное давление в условиях испытаний равно пробному с учетом гидростатического от столба воды - р^и_рас =р_пр + Р_г.в.;

в) расчетная температура - t_рас = 20°С;

г) допускаемое напряжение - , где n_т = 1,1;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре t_рас =20 ⁰ С – Е ₂₀;

- условие монтажа (υ = 3). Для этих условий:

а) вес имеет два значения:

1) G₃ – максимальный вес аппарата в условиях монтажа

2) G₄ – минимальный вес аппарата в условиях монтажа после установки его в вертикальное положение, т.е. только вес колонного аппарата со штуцерами и люками, без внутренних устройств, изоляции, рабочей среды, площадок;

б) расчетное давление равно нулю, т.е. р_рас =0;

в) расчетная температура - t_рас = 20°С;

г) допускаемое напряжение - , где n_т= 1,2;

д) модуль упругости первого рода при расчетной температуре t_рас =20 ⁰ С – Е _20.

Расчет проводится параллельно для трех условий, поскольку для каждого из них характерно опасное сочетание параметров:

- для рабочих условий – это возможность осуществления процесса при высокой рабочей температуре и, соответственно, допускаемые напряжения будут иметь низкие значения;

- для условий испытаний – это высокое расчетное давление (сумма пробного и давления столба воды), которое больше чем расчетное в рабочих условиях минимум в 1,25 раза, а также большое значение осевой сжимающей силы из- за веса воды в корпусе;

- для условий монтажа – это минимальный вес аппарата. В этом случае могут преобладать растягивающие напряжения от изгибающего момента над сжимающими напряжениями от веса КА, что очень опасно для анкерных болтов.

Определение веса участка для разных условий(осевая нагрузка). Вес колонны находится для каждого расчетного условия, т.е. для υ = 1; 2; 3. Для определения общего веса колонны G рассчитывается вес каждого участка G_i.

Осевая сжимающая сила F находится как сумма весов всех участков, т.е. F= G=ΣG_i.Вес каждого участка складывается из веса корпуса аппарата G_к, веса изоляции G_из, веса рабочей жидкости G_р.ж. или веса воды G_в, веса внутренних устройств G_вн.у., веса внешних устройств. Вес внешних устройств составляет приблизительно 18 % от собственного веса стального корпуса G_к и опоры.

Для рабочих условий:

Для условий испытаний:

Для условий монтажа принимаем, чтоаппарат пустой, без изоляции, но с обслуживающими площадками и штуцерами.

.