1.Сварные соединения строительных конструкций.
для соединения отдельных деталей и частей конструкций наиболее широко применяется сварка и болтовые соединения.
Технология сварки.
Для соединения деталей и элементов стальных конструкций применяют:
ручную электродуговую сварку;
автоматическую и полуавтоматическую сварку под слоем флюса;
сварку в среде углекислого газа;
сварку порошковой проволокой;
контактную точечную, шовную и стыковую сварку.
Швы сварных соединений делят на заводские и монтажные (выполняемые при монтаже конструкции на строительной площадке).
Типы сварных швов и соединений.
Стыковые сварные соединения. Они наиболее надежны и экономичны по расходу материала. Предназначены для соединения листов, прокатных профилей – двутавры, швеллеры, уголки, а также для элементов воспринимающих продольные усилия. Эти швы имеют наименьшую концентрацию напряжений, а если сняты выступающие за плоскость стыковых элементов наплавленные части шва, то концентрация напряжений снимается полностью. Для достижения сварного шва равнопрочного основному металлу в стыковых соединениях применяют косой шов
Стыковые швы имеют свои недостатки. Они требуют подварки корня, т.е. дополнительной затраты труда. Это необходимо для предотвращения концентраций напряжений. При толщинах свариваемых элементов более 8 мм требуется разделка кромок в месте стыка. Эта операция является весьма трудоемкой.
Угловые швы. На долю угловых швов приходится около 90% выполняемых сварных работ. Хотя прочность угловых швов меньше прочности стыковых, они не требуют разделки кромок, т.е. менее трудоемки.
Угловые швы выполняются с накладками или без них. Угловые швы могут быть фланговыми, расположенными вдоль усилия или лобовыми (фронтальными), расположенными перпендикулярно усилию.
Комбинированное соединение представляет собой сочетание стыкового соединения и соединения внахлестку.
Расчет угловых швов при действии изгибающего момента и поперечной силы.
При действии изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения швов (рисунок 20) расчет сварных швов выполняется по двум сечениям по формуле
,
где
– момент сопротивления для угловых швов.
При
действии изгибающего момента М
в плоскости, совпадающей с плоскостью
расположения шва (рисунок 21) расчет
прочности шва проводится по формуле
,
где
– моменты инерции расчетных сечений конфигурации сварных швов в плоскости действующего момента относительно главных осей;
– координаты точки,
наиболее удаленной от центра тяжести
расчетного сечения.
При совместном
действии изгибающего момента
и поперечной силы
(рисунок 21) угловые швы рассчитываются
по касательным напряжениям
,
равным векторной сумме напряжений,
возникающих от действия момента и силы
(7.10)
Напряжения от поперечной силы вычисляются по формуле
где
–
общая длина сварных швов.
2. Расчет магистральных трубопроводов на прочность
Магистральный трубопровод рассчитывают по
методу предельных состояний – рассматривается
такое напряженное
состояние, харак-ое величиной
,
при котором его дальнейшая эксплуатация
становится невозможной. Первое предельное
состояние
магистрального трубопровода наступает
при его разрушении под действием
внутреннего давления. Характеристикой
несущей способности магистрального
трубопровода в этом случае является
расчетное сопротивление
,
которое
назначается по пределу прочности металла
трубы
.
(8.1)
Второе предельное состояние наступает, когда в стенке трубопровода появляются пластические деформации. В этом случае расчетное сопротивление назначается по пределу текучести материала
(8.2)
Для обеспечения надежной работы магистрального трубопровода при определении расчетного сопротивления вводят ряд коэффициентов отражающих вероятностный характер различных факторов, влияющих на несущую способность магистрального трубопровода
где
- нормативные
сопротивления растяжению (сжатию)
металла трубы;
– коэффициент
условий работы магистрального
трубопровода;
– коэффициент
надежности по материалу;
– коэффициент
надежности по назначению трубопровода.
Нормативные
сопротивления металла трубы и сварных
соединений
и
следует принимать равными соответственно
минимальным значениям временного
сопротивления и предела текучести,
принимаемым по государственным стандартам
и техническим условиям на трубы.
Нагрузки и воздействия, принимаемые при расчете трубопроводов.
Для линейной части трубопровода основными нагрузками и воздействиями являются:
нагрузки от внутреннего давления продукта в трубе; давления грунта; собственного веса трубы и продукта;
воздействия от изменения температуры; просадки и пучения грунта; давления оползающих грунтов.
В соответствии с
методикой расчета трубопроводов по
предельным состояниям различают
расчетные и нормативные нагрузки.
Нормативные
нагрузки
устанавливаются нормативными документами
и определяются на основании статистического
анализа при нормальной эксплуатации
сооружений Расчетные
нагрузки
определяются
по нормативным нагрузкам с учетом
коэффициента надежности по нагрузке
где
– коэффициент надежности по нагрузке
Постоянные нагрузки на магистральный трубопровод.
Постоянные нагрузки действуют в течение всего срока строительства и эксплуатации трубопровода.
Собственный вес трубопровода – вес погонного метра трубы вычисляется по формуле
(8.2)
Для предварительных расчетов ориентировочно можно принимать вес изоляции равным 10% от веса трубы.
Давление грунта на единицу длины трубопровода
(8.4)
Гидростатическое давление воды на единицу длины трубопровода, определяемое высотой столба жидкости над подводным трубопроводом
(8.5)
Выталкивающая сила воды, приходящаяся на единицу длины трубопровода полностью погруженного в воду
(8.6)
Предварительное напряжение, создаваемое за счет упругого изгиба при повороте оси трубопровода.
. (8.10)
Временные длительные нагрузки и воздействия.
Внутреннее рабочее (нормативное) давление — наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим эксплуатации трубопровода.
Вес перекачиваемого (транспортируемого) газа на единицу длины трубопровода. Для определения веса газа используется уравнение состояния идеального газа Менделеева – Клапейрона для высоких давлений
,
(8.11)
Нормативный вес нефти или нефтепродуктов в 1 метре трубопровода
(8.18)
Температурные воздействия на трубопровод оцениваются возникающими температурными деформациями
(8.19)
Воздействия неравномерных деформаций грунта, не сопровождающиеся изменением его структуры. К таким воздействиям относятся осадки и пучения грунта; оползни, деформации земной поверхности в результате горных разработок и т.д.
Кратковременные нагрузки.
Гололедные нагрузки.
Нормативная снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию надземного трубопровода
(8.23)
Ветровая нагрузка действует перпендикулярно осевой вертикальной плоскости одиночно проложенного трубопровода
(8.24)
Динамическую составляющую ветровой нагрузки определяют по формуле
(8.28)
Нагрузка, вызываемая морозным растрескиванием грунта. Коэффициент надежности по нагрузке = 1,2.
Нагрузки и воздействия, возникающие при пропуске очистных устройств. Коэффициент надежности по нагрузке = 1,2.
Нагрузки и воздействия, возникающие при испытании трубопроводов. Коэффициент надежности по нагрузке = 1,0.
Воздействие селевых потоков и оползней. Коэффициент надежности по нагрузке = 1,0.
Особые нагрузки.
К особым нагрузкам относятся, прежде всего, такие, которые связаны с перемещениями и деформацией грунта. Воздействие селевых потоков и оползней. Силовые воздействия оползающих грунтов особенно опасны, когда направление их движения перпендикулярно оси трубопровода. В этом случае происходит изгиб трубы и значительное увеличение напряжений в поперечных сечениях.
Воздействие деформаций грунта, сопровождающихся изменением его структуры (например, деформация просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании).
В результате сейсмических толчков в грунте создаются и распространяются сейсмические волны.
3. Определение толщины стенки трубы магистрального трубопровода.
Методика, определения
толщины стенки трубы магистрального
трубопровода, основана на расчетах по
предельным состояниям. Для трубопровода
предельным состоянием является
разрушение стенки трубы. Поэтому за
расчетное сопротивление принимается
предел прочности материала трубы
.
Расчетное сопротивление материала
трубы
определяется
с учетом условий работы магистрального
трубопровода, качества используемых
для строительства труб и назначения
трубопровода по формуле
где
- нормативные
сопротивления растяжению (сжатию)
металла трубы;
– коэффициент условий работы магистрального трубопровода;
– коэффициент надежности по материалу;
– коэффициент надежности по назначению трубопровода.
Предельное состояние магистрального трубопровода характеризуется неравенством
,
(8.31)
где – наибольшее возможное напряжение в трубопроводе от расчетных нагрузок и воздействий. Для определения напряжений необходимо исследовать напряженное состояние в стенке трубопровода.
Определение напряжений в стенке трубопровода.
Расчитываются кольцевые напряжения от внутреннего давления и продольные напряжения
Кольцевые напряжения
определяются
из условия равновесия части трубы,
отсеченной плоскостью, проходящей через
ось трубы
Условие равновесия
отсеченной части в проекциях сил на
горизонтальную ось
будет
формулироваться, как равенство сил от
внутреннего давления в трубе
внутренним силам в сечении
где – нормальная сила в осевом сечении, приходящаяся на единицу продольной длины цилиндрической оболочки, Н/м;
– внутреннее давление в трубопроводе, Па;
– внутренний
диаметр трубы, м.
Нормальная сила при равномерном распределении напряжений по толщине стенки определяется выражением
,(8.33) где
-
толщина стенки трубопровода, м;
- кольцевые напряжения, Па.
Подставляя выражение (8.33) в (8.32) получаем формулу для вычисления нормативных кольцевых напряжений
(8.34)
Расчетные кольцевые напряжения будут вычисляться с учетом коэффициента надежности по внутреннему давлению в трубопроводе
(8.35)
Продольные напряжения
возникают в поперечных сечениях трубы,
т.е. распределены по кольцу, ограниченному
наружной и внутренней окружностью, и,
в частности, от внутреннего давления
будут вычисляться в зависимость от
заданной расчетной схемы.
Выбор толщины стенки магистрального трубопровода.
для подземного магистрального трубопровода в качестве предельного состояния принято условие разрушения материала трубы, характеризуемое расчетным сопротивлением .
Поскольку в стенке трубы возникает двухосное напряженное состояние, характеризуемое кольцевым и продольным напряжениями, максимальные напряжения в условие прочности (8.30) должны определяться по эквивалентным напряжениям.
эквивалентные напряжения определяются по IV теории прочности (критерий удельной потенциальной энергии формоизменения – энергетическая теория прочности)
(8.46)
При отсутствии продольных напряжений или в случае, когда знак кольцевых и продольных напряжений совпадает, толщину стенки трубопровода определяют из условия
(8.47)
Подставляя в формулу вместо внутреннего диаметра его выражение через наружный диаметр стенки
получаем выражение для условия прочности
(8.48)
и формулу для определения толщины стенки трубопровода из расчета по кольцевым напряжениям
.
(8.49)
При наличии сжимающих продольных напряжений предельное состояние принимает следующий вид
(8.50)
Если учесть тот
факт, что данное условие выполняется
только при отрицательных продольных
напряжениях, тогда можно подставить
знак минус перед продольными напряжениями
и в дальнейшем знак не учитывать.
Тогда предельное состояние с учетом двухосности напряженного состояния примет следующий вид
,
(8.52)
а толщина стенки трубы будет определяться по формуле
коэффициент, учитывающий двухосное напряженное состояние труб магистрального трубопровода
После определения толщины стенки и продольных напряжений по формуле (8.41), осуществляют проверку прочности трубопровода.