6.6.3. Днища і кришки оболонкових конструкцій

Як днища (кришки) використовують елементи плоскої або сферичної та еліптичної форми.

Плоскі днища (кришки) представляють собою тонкі пластини круглого обрису, закріплені по периметру і навантажені рівномірним по поверхні тиском (рис. 6.114).

В пластині під тискомр виникнуть кільцеві і радіальні моменти, максимальне значення яких має місце в центрі пластини:

де - коефіцієнт, що залежить від умов закріплення днища (табли­ця 6.23).

Напруження від моментів:

а потрібна товщина днища (кришки):

С феричні (еліптичні) днища (рис. 6.115) розра­ховуються згідно рівняння Лапласа, а саме:

6.6.4. Вузли сполучення елементів оболонок

Отримані рівняння для тонких оболонок, виведені з умов рівноваги при наявності лише осьових сил (меридіональних і кільцевих зусиль), припускають, що оболонка зовсім гнучка і що її жорсткість у відношенні вигину і крутіння дорівнює нулю. Тобто моменти відсутні. Напруження у такій безмоментній оболонці рівномірно розподілені по перерізу в умовах вільного формування осьових деформацій.

Такі передумови роботи оболонки справедливі для її ділянок, що віддалені від опорних закріплень або місць перегинів, тобто від місць, де зміняться умови для осьових деформацій (наприклад, місця зміни товщини оболонки, з'єднання оболонки з днищем та інш.)

У цих місцях (рис. 6.116) з'являються розпірні сили і «крайові» згинальні моменти що викликають вигин оболонки внаслідок стиснен­ня деформацій в умовах нерозривності перерізу.

Згинаючі моменти поширюються на порівняно вузьку зону оболонки, швидко загасаючи («крайовий ефект») унаслідок того, що деформаціям оболонки приходиться переборювати пружний опір сусідніх частин.

Максимальні «крайові моменти» на одиницю довжини периметра оболонки приблизно визначаються за формулою:

а напруження в стінці оболонки вздовж утворюючої (рис. 6.116):

6.6.5. Резервуари для рідини

Для збереження рідини широке застосування отримали вертикальні і горизонтальні (цистерни) резервуари.

Вертикальні резервуари в основному використовуються для збере­ження нафтопродуктів при незначному тиску. Основним елементом верти­кального резервуара є стінка у формі циліндра. Проектування стінки про­водиться як тонкої оболонки за формулами Лапласа. Висота стінки та її діаметр призначаються у співвідношенні для резер­

вуарів об'ємом а для об'єму до

Висоту резервуара призначають кратною ширині стандартного листового матеріалу (1400 або 1600 мм). Товщина стінки визначається в залежності від гідростатичного тиску рідини на стінку (рис. 6.117).

Значення гідростатичного тиску рідини залежить від глибини та її питомої ваги

Отже, тиск на стінку розподіляється нерівномірно по висоті, і тому товщину стінки проектують змінною згідно розрахунку на міцність у вертикальному перерізі за формулою:

де - граничні напруження для металу зварного вертикального шва.

Якщо на поверхні рідини ще має місце тиск газу (наприклад, внаслі­док випаровування), то товщину стінки визначають за сумарним тиском:

Призначати товщину стінки однакову по висоті не раціонально, тому висоту стінки розділяють на так звані пояси. Кількість поясів визначають як Пояс - це кільце діаметром зварне стиковим

швом зі стандартного листового матеріалу розміром

Кількість листів в пояса дорівнює Нумерація

поясів знизу вверх. Товщину кожного пояса визначають за тиском на глибині нижньої кромки відповідного поясу. Мінімальна товщина стінки приймається 5 мм. Пояси між собою (горизонтальні шви) з'єднуються в стик або внакладку (починаючи з товщини 8 мм) (рис. 6.118).

Якщо в поясі передбачений отвір для прикріплення патрубків чи лю­ків, то в зоні отвору міцність стінки зменшується. Потрібність компенсації втрати міцності в перерізі отвору вирішується з наступної умови. Якщо:

то необхідно підсилити цей переріз шляхом постановки підсилюючого кільця (рис. 6.119). Приймають, що

Днище резервуара, як правило, плоске, і якщо воно змонтоване на якомусь фундаменті, то не підлягає розрахунку, а його товщина призначається в межах 6...10 мм в залежності від місткості резервуара.

З'єднання стінки з днищем виконується двома кутовими швами кате­том згідно стандарту на спосіб зварювання і може бути перевірене з урахуванням «крайового моменту»:

де - відповідно тиск і товщина на рівні першого поясу.

Приклад проектування стінки вертикального резервуара.

Завдання 1. Спроектувати стінку вертикального циліндричного ре­зервуара зі сталі для збереження води об'ємом 1000м³.

Розв'язання:

1. Визначаємо генеральні розміри резервуара, приймаючи

Приймаємо а з урахуванням ширини стандартного

листа Тобто, кількість поясів Кількість листів в

поясі , Приймаємо 7 листів, тоді

Остаточний об'єм резервуара:

2. Визначаємо товщину стінки (рис. 6.120) для кожного пояса від гідростатичного тиску на пояси за формулою

Завдання 2. Визначити необхідність підсилення отвору під патрубок діаметром в стінці резервуара першого пояса товщиною 5 мм (див. завдання 1). Розв'язання:

1. Визначаємо напруження в перерізі, що проходить через отвір:

Т обто, необхідно поставити підсилююче кільце.

1. Визначаємо потрібну площу перерізу кільця:

2. Визначаємо діаметр кільця (рис. 6.121), прий­маючи його товщину

Завдання 3. Перевірити міцність вузла з'єднання патрубка зі стінкою, (рис. 6.122).

Розв'язання:

1 . Визначаємо силу, що діє на шви:

2.Складаємо умову міцності:

Міцність забезпечена.

Горизонтальні резервуари (цистерни). Цистерни складаються з ци­ліндричної обичайки і двох днищ. Конструктивні форми цистерн і типи зварних з'єднань вибирають у залежності від умов роботи.

Циліндрична частина утворюється з поясів - вертикальних кілець зі стандартного листового матеріалу, зварних поздовжніми стиковими шва­ми, а пояси між собою з'єднуються внакладку кільцевими кутовими швами.

Днища роблять сферичними (еліптичними) методом штампування або шляхом зварювання з декількох листів стиковими швами. Інколи засто­совують плоскі днища. Сполучення циліндра з днищем плавні, їх при­варюють до обичайки кутовими швами. У цистернах, призначених для транспортування рідких продуктів, всі з'єднання виконують стиковими, у тому числі і з'єднання днища з циліндричною обичайкою (рис. 6.123).

Горизонтальні циліндричні резервуари, як правило, встановлюються на опорах і розраховуються як балки трубчастого перерізу під дією рівно­мірно розподіленого навантаження.

Тобто, в стінці обичайки утворюються

ються напруження як від внутрішнього тиску рідини так і внаслідок згину (рис. 6.124).

Попередньо визначають товщину стінки окремо по кожній складовій напруженого стану за формулами:

Оскільки тискр від ваги рідини, як правило, дуже малий, то визначен­ня товщини стінок на підставі цієї формули приводить до дуже малого значення Цистерни з такими стінками не мають достатньої жорсткості, тому розрахункові тиски визначаються відповідно до спеціальних техніч­них вказівок. Призначається найбільше значення товщини Після цього роблять перевірку міцності стінки з урахуванням усіх компонентів напру­женого стану:

Напруження (рис. 6.124)

Товщина сферичних днищ визначається за формулою:

але приймається однаковою з товщиною обичайки.

Приклад проектування цистерни

Завдання 1. Спроектувати цистерну зі сферичними днищами зі сталі

д ля збереження рідини

об'ємом

Розв'язання:

1. Визначаємо генеральні розміри цистерни. Діаметр призначаємо, виходячи з того, що пояс обичайки утворюється з півтора стандартного листа довжиною

Тоді довжина циліндричної частини цистерни:

Стандартний лист шириною 1,4 м, тоді кількість поясів п - 1/1,4 = 9,774/1,4 = 6,98; приймаємо 7 поясів і тоді а загальна довжина

цистерни:

2. В изначаємо товщину обичайки за формулою:

Приймаємо товщину обичайки

3 . Визначаємо напруження:

4.Перевіряємо міцність стінки обичайки:

Міцність забезпечена.

5. З технологічних міркувань товщину сферичного днища признача­ємо однаковою з товщиною обичайки.

6. Перевіряємо стійкість обичайки на випадок вакууму Для даного випадку умова стійкості має вигляд:

1. Визначаємо напруження: (див. п. 3)

2. Визначаємо значення критичних, напружень при за формулою:

де - найбільше розрахункове напруження стиску;

відповідні напруження з протилежного кінця діаметра утворюючої. В нашому випадку тобто (табл. 6.22).

3. Визначаємо стійкість:

Стійкість обичайки забезпечена.

5. Перевіряємо стійкість днища за формулою:

Стійкість днища також забезпечена.

8. Перевірка міцності зварних з'єднань. З'єднання листів поясів про­ектуємо в стик (поздовжні шви). їх міцність забезпечена, оскільки товщи­на стінки призначалась, виходячи зі значення граничних напружень для зварних з'єднань. Перевірці підлягають з'єднання внакладку поясів між собою і днищ з обичайкою. Типове з'єднання показане на рис. 6.125.

1. Визначаємо силу, що діє на шви:

2. Визначаємо напруження в швах:

Умова міцності зварних швів дотримується.

Загальний вигляд цистерни показаний на рис. 6.126.