Wyklad 2 - Zbiorniki, Obciążenia, Stany Graniczne

Konstrukcje metalowe specjalne KBU , Konstrukcje metalowe obiekty BTO,

TKO

Wykad 2 Obcienia zbiornikw walcowych. Modele obliczeniowe. Sprawdzanie stanw granicznych

nonoci i uytkowalnoci.

Norma: PN-EN 1993-4-2:2009 Projektowanie konstrukcji stalowych. Czd 4-2: Zbiorniki

Norma: PN-EN 1993-1-6:2009 Projektowanie konstrukcji stalowych. Czed 1-6: Wytrzymaod i statecznod

konstrukcji powokowych

Norma: PN-EN 1991-4:2008 Oddziaywania na konstrukcje. Czd 4: Silosy i zbiorniki

Inne normy z grupy PN-EN 1991 Oddziaywania na konstrukcje

Norma: PN-EN 14015:2010 Specyfikacja dotyczca projektowania i wytwarzania na miejscu zbiornikw

pionowych, o przekroju koowym, z dnem paskim, naziemnych, stalowych spawanych, na ciecze o

temperaturze otoczenia i wyszej

Wykad 2 Obcienia zbiornikw walcowych. Modele obliczeniowe. Sprawdzanie stanw granicznych nonoci i uytkowalnoci.

* Prywatny konspekt dla celw dydaktycznych zawiera kopie materiaw literaturowych i normowych

1. Gwne elementy oblicze statyczno-wytrzymaociowych zbiornikw pionowych, walcowych

1.1. Podstawowe dane techniczne

typ zbiornika (dach, jednopaszczowy, dwupaszczowy), pojemno, lokalizacja, rodzaj skadowanej cieczy, stal zastosowana na zbiornik, temperatura cieczy i otoczenia inne dane

1.2. Klasyfikacja oddziaywa, Klasa konsekwencji zniszczenia, wspczynniki czciowe

Wykorzystano tabele, rysunki itp. z norm PN-EN oraz ksiek: J. Zilko Zbiorniki metalowe na ciecze i gazy -1986, Z. Kowal Wybrane zagadnienia konstrukcji metalowych, cz. III, 1979 ubiski M., towski W. Konstrukcje metalowe cz. II, 1992 , i inne publikacje

Klasa oceny oddziaywa wg. PN-EN 1990, 2.2 (3) i (4)

Klasa oceny oddziaywa wg. PN-EN 1990, 2.2 (3) i (4)

Wg PN-EN 1993-4-2

1.3. Podstawowe obcienia

a) Ciar wasny Na podstawie danych podobnych zbiornikw (J. Ziko: Zbiorniki metalowe na ciecze i gazy tab. 1-25, 1-26, 1-27, 1-28, 1-30,) , z dachami staymi ok. 25-35 kg/m3, z dachami pywajcymi 15-24 kg/m3. Wane jest okrelenie ciaru dachu szczeglnie w dachach pywajcych. Ciar warstwy gruntu i ocieplenia na dach zbiornika podziemnego (grunt 40-80 cm)

b) Obcienie ciarem magazynowanej cieczy Cinienie hydrostatyczne

Wysoko z przyjmuje si na wysokoci powyej 300 mm nad dolna krawdzi piercienia (cargi) kadego paszcza. Naley uwagldni stan eksploatacyjny (ciecz magazynowana) i stan podczas prby wodnej (w zbiorniku jest woda).

c) Obcienie od wewntrznego nadcinienia i podcinienia

Zbiornik z dachem staym

Nadcinienie w zbiorniku (najczciej) p = 2,5 kPa = 25 mbar Podcinienie w zbiorniku (najczciej) pv = 0,5 kPa = 5 mbar

Zbiornik z dachem pywajcym Nadcinienie w zbiorniku : ciar dachu + 250 mm supa cieczy podzielony przez powierzchni dachu Podcinienie przyjmuje si wg PN-EN 14015 jako pv = 5 mbar (moe by pusty, dach na podpierakach)

d) Obcienie uytkowe dachu - PN-EN 1991-1-1

Obcienia uytkowego dachu zbiornika nie czy si z obcieniem niegiem. Na og nie dopuszcza si do obcienia uytkowego (oraz pojazdami) terenu nad dachem zbiornika podziemnego (bariery ochronne).

e) Obcienie niegiem lub wod opadow - obcienia niegiem wg PN-EN 1991-1-3

W PN-EN nie ma wspczynnikw ksztatu dachu dla dachw kopulastych i stokowych. S jednak dachy kopulaste ( stosujemy analogi do dachu walcowego) lub dachy stokowe (analogia dach dwuspadowy)

W dachu pywajcym dach jest paski. W zbiorniku podziemnym mamy do czynienia z obcieniem niegiem gruntu.

- obcienie awaryjne wod opadow wg PN-EN 14015 Zacznik D Przyjmuje si awaryjne zalanie wod (zatkany odpyw) o wysokoci 250 mm. Przyjmuje si albo wod albo nieg (nie cznie)

f) Obcienie wiatrem wg PN-EN 1991-1-4 oraz PN-EN 1991-4 i PN-EN 1993-4-2

QEd = qeq = kw x qw,max - wg PN-EN 1993-1-6 (D.1.3.2 (4)) norma dot. statecznoci powok

W zbiorniku podziemnym nie wystpuje obcienie wiatrem. Zbiornik z dachem pywajcym

g) Nierwnomierne osiadanie fundamentu h) Oddziaywania wyjtkowe (wybuch, uderzenie, przepenienia itp.) - PN-EN 1991-1-7

i) Oddziaywania sejsmiczne - PN-EN 1998-4

1.4. Wspczynniki czciowe, kombinacje oddziaywa

Wspczynniki czciowe do oddziaywa naley przyjmowa wg PN-EN 1990 ( B.2.2 do B2.14)

Zalecane przez PN-EN 1991-4 wspczynniki czciowe dla obcienia ciecz ciany zbiornika:

F = 1,20 - podczas eksploatacji

F = 1,00 - podczas prby zbiornika F = 1,00 - w sytuacjach wyjtkowych

1.5. Siy wewntrzne i naprenia w powoce paszcza walcowego

Naprenia poudnikowe x pochodz od obcieo dachu, podcinienia oraz nadcinienia wewntrz zbiornika

i cinienia wywoywanego na paszcz przez wiatr.

Naprenia obwodowe pochodz od obcieo cinieniem cieczy, podcinienia i nadcinienia wewntrz

zbiornika oraz od i cinienia wywoywanego na paszcz przez wiatr.

1.6. Sprawdzenie nonoci paszcza zbiornika (LS1, LS3) i dobr ewentualnych piercieni usztywniajcych

Sprawdzenie nonoci ( w tym statecznoci) powok zbiornika wykad 5) Wstpne dobranie gruboci blach z uwagi na rozciganie obwodowe wg PN-EN 1993-4-2

Przyjmuje si naddatek korozyjne c = 0,04 0,06 mm/rok (dla 50 lat eksploatacji).

Sprawdza si dla warunku eksploatacji oraz dla warunku prby wodnej. Dla prby wodnej nie dodaje si

naddatku korozyjnego a nadcinienie przyjmuje si wg PN-EN 14015 o 10 % wysze ni eksploatacyjne.

Minimalna grubod blach paszcza na poszczeglnych poziomach Hred t dla warunku eksploatacji:

t [F g Hred pEd] r / fy,d + c - gdzie pEd nadcinienie obliczeniowe w zbiorniku

- gstod magazynowanej cieczy

Minimalna grubod t dla warunku prby wodnej (wg PN-EN 14015):

t [F g Hred 1,1 pEd] r / fy,d - gdzie pEd nadcinienie obliczeniowe w zbiorniku

- gstod wody

Przyjmuje si naddatek korozyjne c = 0,04 0,06 mm/rok (dla 50 lat eksploatacji).

Sprawdza si dla warunku eksploatacji oraz dla warunku prby wodnej. Dla prby wodnej nie dodaje si

naddatku korozyjnego a nadcinienie przyjmuje si wg PN-EN 14015 o 10 % wysze ni eksploatacyjne.

1.7. Sprawdzenie nonoci blachy poszycia dachu staego Blach poszycia w zbiornikach zagroonych wybuchem (na paliwa) nie mocuje si (nie spawa si) do dwigarw gwnych oraz patwi, mocowanie jest tylko do piercienia na styku dachu z paszczem). W przypadku dziaania nadcinienia lub ssania wiatru na stokowy lub kopulasty (kulisty) dach zbiornika mamy do czynienia z rozcigan powok stokow lub kulist. Naprenia oblicza si np. wg wzorw poniej PN-EN 1993-1-6 za. A

W przypadku obcie pionowych (nieg, obc. uytkowe) oraz podcinienia wewntrz zbiornika blach pokrycia, spoczywajc na ukadzie belkowym (patwie i dwigary promieniowe, ukowe) mona traktowa jako zestaw pyt lub membran opartych na 4 krawdziach.

NONOSC POWOKI DACHOWEJ NA ROZCIGANIE - nadcinienie + ssanie wiatru

Przy obcieniu od gry (nieg + podcinienie) mona traktowad blach jako membran (due ugicia) lub

pyt oparta na 4 krawdziach. Wzory dla stalowych pyt wg tablicy niej.

Jeliby membrana pracowaa jako cigno (w jednym kierunku np. l 2b) to zakadajc, e blacha nie ma sztywnoci gitnej (EI = 0) si rozcigajc S w membranie (blasze) mona obliczy wg CH. Petersena Stahlbau przyjmujc jako pole A pole przekroju poprzecznego blachy o jednostkowej szerokoci A = 1 x t, a naprenia rozcigajce = S / A = S / t, gdzie S sia na jednostk szerokoci blachy (membrany) kN/m.

Naprenia w membranie dach pontonowo-membranowego materiay archiwalne (skrypt Z. Kowala z 1979 r. Wybrane dziay z konstrukcji metalowych , cz. III na pdstawie J. Ziko Zbiorniki metalowe 1986) q obcienie c. wasnym + nieg (ew. uytkowe lub woda na dachu), E = modul Yuonga, pozostae oznaczenia naley dostosowa do przyjtych aktualnie i stosowanych oznacze.

1.8. Sprawdzenie nonoci konstrukcji dachowej (dwigary gwne i patwie)

Stosuje si postanowienia normy PN-EN 1993-4-2 (11.2)

Jeli blacha pokrycie nie jest czona (spawana) do dwigarw (krokwi) i patwi dachowych to powysze zalecenia dot. usztywnie konstrukcji szkieletu nie s wane.

Ustroje statyczne dwigarw promieniowych tradycyjny, logiczny sposb wyznaczania sil wewntrznych w szkielecie dachowym

Podparcie na piercieniu poddachowym mona traktowa jako przegubowe. W zworniku w zalenoci od sztywnoci pocze trzeba przyj sztywny lub przegubowy wze (zalecany przegubowy).

Patwie projektuje si jako belki wolnopodparte nie zabezpieczone przed zwichrzeniem (nie jest przyspawana blacha pokrycia).

Dwigary gwne (promieniowe) jako prty zginane i ciskane wg PN-EN 1993-1-1 Dugo wyboczeniowa uku : mona w przyblieniu przyj jako poow dugoci uku, w dwigarze stokowym jako dugo jednej poaci przy odpowiednio duym spadku (przy maym moe zaj zjawisko przeskoku)

1.9. Sprawdzenie nonoci supw podpierajcych dach

W dachu pywajcym lub staym nono supw sprawdza si wg PN-EN 1993-1-1

1.10. Sprawdzenie wypornoci dachu pywajcego oraz nonoci blach (ponton, membrany, szkrzynki)

1.11. Sprawdzenie nonoci i sztywnoci piercienia poddachowego

Przypadki konstrukcyjne piercieni poddachowych z dwigarami dachowymi

(opisy i oznaczenia wg nieaktualnej normy PN-B-03210 ale rozwizania konstrukcyjne s dobre)

Stateczno paszcza przy podcinieniu i obcieniu wiatrem Jeli stosuje si reguy uproszczone wg rozdz. 11 PN-EN 1993-4-2 to nie sprawdzamy bezporednio

Statecznoci przy ciskaniu obwodowym paszcza, tylko stosujemy odpowiednio gsto rozmieszczone porednie piercienie usztywniajce wg p. 11.3.2

Wg PN-EN 14015

2. Sprawdzenie stanu granicznego nonoci EQU - utrata rwnowagi statycznej

W zbiorniku naziemnym moliwe jest wystpienie utraty rwnowagi statycznej caej konstrukcji, traktowanej jako ciao sztywne. A wic wywrcenie zbiornika (pustego) przez wiatr lub przesuniecie po fundamencie.

Moliwe jest te wystpienie szkodliwego dla zbiornika unoszenia zewntrznej krawdzi dna wskutek wewntrznego nadcinienia i ssania wiatru na dachu.

PN-EN 1990 zacznik A1

Zjawisko unoszenia obwodu dna zbiornika

Warunek, ktry powinien byd speniony: Wartod obliczeniowa oddziaywao destabilizujcych Ed,dst powinna

byd mniejsza od wartoci obliczeniowej oddziaywao stabilizujcych Ed,stb.

Ed,stb > Ed,dst Obcienia stabilizujce: Gz - ciar dachu zbiornika, paszcza i pasa dna o szerokoci 500 mm

Gc ciar cieczy na brzegu dna o wysokoci 500 mm i szerokoci 500 mm

Obcienie destabilizujce: Nn pionowe oddziaywanie na dach (do gry) od nadcinienia wewntrz

zbiornika (powierzchnia rzutu dachu i nadcinienie)

Nw wypadkowa oddziaywania od ssania wiatru na dach.

Zjawisko wywrcenia zbiornika

Warunek, ktry powinien byd speniony: Wartod obliczeniowa momentu destabilizujcego (wywracajcego

zbiornik) Md,dst powinna byd mniejsza od wartoci obliczeniowej momentu destabilizujcego Md,dst.

Md,stb > Md,dst

Moment destabilizujcy: Md,dst = Wd,H h/2 + Wd,V x r

Moment stabilizujcy: Md,stb = (Gd,c + Gd,z) r

Punkt obrotu

Zjawisko przesunicia zbiornika po dnie od siy wiatru sia tarcia pustego zbiornika

Trzeba te analizowad sytuacje gdy zbiornik jest cakowicie pusty (np. podczas remontu)

Wg poprzednich przepisw normowych z 1977 r obcienie wiatrem analiza wywrcenia (J. Ziko) bya przedstawiana jak poniej. Od strony fizycznej zjawisko jest obecnie takie same, ale s inne wartoci obcie normowych.

Gdy warunki EQU nie s spenione trzeba kotwid dno zbiornika np. wg PN-EN 14015:2010

3. Dobr stali na zbiornik wg PN-EN 1993-4-2 oraz gwnie wg PN-EN 14015

4. Zaburzenia brzegowe na styku walcowego paszcza z dnem paskim brak w PN-EN 1993-1-6

Z. Kowal : Wybrane dziay z konstrukcji metalowych cz. III Wrocaw 1979 naley dostosowa oznaczenia do przyjtych w aktualnych normach i zaleceniach.