Сейсмическая надежность оснований и фундаментов крупных резервуаров

Актуальность темы

Число строящихся терминалов для хранения и транспортировки нефтепродуктов в последние годы увеличилось скачкообразно. С другой стороны, в связи с введением ОСР-97 значительная часть территории страны попала в сейсмически опасную категорию. В том числе, в Краснодарском крае ряд нефтебаз возводят на площадках различной сейсмичности, сложенных сжимаемыми грунтами. Большинство из возводимых резервуаров имеют значительный рабочий объем — от 20 000м3 до 100 000м3. В связи с этим проблема эксплуатационной надежности оснований и фундаментов резервуаров при сейсмических воздействиях имеет высокую актуальность.

Движение вязкой жидкости в баках при землетрясениях создает внецентренные сжимающие и сдвигающие усилия на фундаменты и основания, имеющие импульсный гидродинамический характер, что может привести к нарушению эксплуатационной надежности и разрушению резервуаров.

В результате обобщения данных о последствиях землетрясений на резервуары, можно сделать вывод о том, что основными причинами их аварий при сейсмических воздействиях являются: потеря устойчивости основания и разрыв днища резервуара (рост порового давления, «разжижение» грунта, уплотнение из-за девиаторной нагрузки и т. д.);

— пластические деформации оболочки резервуара в нижней части (так называемая «слоновая ступня») от действия гидродинамической нагрузки;

— продольный изгиб и разрушение верха стенки, уплотнительного пазуха и крыши резервуара от гидродинамического удара волны жидкостиотрыв подводящих патрубков при сейсмических подвижках основания.

Площадки резервуаров нередко сложены грунтами, (водонасыщенные пески, супеси и т. д.) которые способны проявлять тиксотропные свойства при динамических воздействиях. Прежде всего, такие грунтовые условия встречаются в поймах рек, старых руслах водоемов, искусственных намывных основаниях, около портовых территориях. Ниже, на (Рисунок 1) представлен пример сейсмического уплотнения основания резервуара (Япония, Кобе) в результате перехода грунта в квазижидкое состояние (тиксотропное разжижение).

Рисунок 1. Потеря устойчивости основания от «разжижения» грунта.

Наиболее часто, потеря несущей способности оснований резервуаров вызывается резким ростом порового давления и (или) девиаторной нагрузкой при прохождении сейсмической волны. Это особенно ярко проявляется на площадках сложенных связными водонасыщенными грунтами с низким коэффициентом фильтрации (суглики и глины различной консистенции). В Краснодарском крае случай частичной потери несущей способности основания от высокого порового давления в «слабом» водонасыщенном основании резервуарного парка.

ОАО НК «Роснефть-Туапсенефтепродукт» был зафиксирован от статической эксплуатационной нагрузки. Резервуарный парк располагается в пойме реки Туапсинки.

Моментальное увеличение порового давления в водонасыщенном основании вызывает снижение эффективных напряжений в скелете грунта что, как следствие, приводит к резкому падению (зачастую до нуля) величины угла внутреннего трения. Последующее значительное снижение сопротивления грунта сдвиговым деформациям на фоне скачка сейсмических касательных (девиаторных) напряжений вызывает аварийную временную потерю устойчивости «слабых» оснований и существенные остаточные деформации под фундаментами резервуаров.

Традиционно основное внимание при разработке сейсмически надежных резервуаров уделяется металлическим конструкциям баков, устройству плавающих крыш и гасителей колебаний жидкости (понтоны), анкеровке емкостей к фундаменту, в то время как вопрос обеспечения устойчивости оснований и фундаментов освещен недостаточно.

Цель исследования заключается в разработке методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных стальных цилиндрических вертикальных резервуаров (РВС) от сейсмического воздействия и обосновании рекомендаций по выбору типа фундамента для сейсмически опасных районов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

— анализ существующих методик расчета;

— разработка и обоснование численной модели системы «гибкий резервуар — вязкая жидкость — фундамент — грунтовое основание" — оценка влияния различных факторов на напряженнодеформированное состояние (НДС) грунтов основания крупных резервуаров;

— разработка рекомендаций по расчету сейсмических нагрузок;

— разработка эффективных конструкций искусственных оснований и фундаментов для резервуаров в сейсмически опасных районах.

Методы исследования. Поставленные задачи решались методом конечных элементов (МКЭ) с учетом «импульсного» временного характера действия гидродинамической нагрузки от хранимой жидкости. Для расчетов использовались детальные пространственные модели системы «гибкий резервуар — вязкая жидкость — фундамент — грунтовое основание». Сейсмическое воздействие моделировалось в явном виде путем интегрирования уравнений движения системы по времени методом Ньюмарка (прямой динамический расчет).

Научная новизна работы заключается в:

— разработке и обоснование МКЭ модели системы «гибкий резервуар — вязкая жидкость — фундамент — грунтовое основание»;

— оценке влияния различных факторов на НДС основания:

— высота взлива;

— наличие понтона;

— граничные условия;

— сжимаемость основания;

— тип фундамента;

— разработке рекомендаций по расчету воздействий сейсмических нагрузок.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается выполненными поверками расчетной модели путем сопоставления результатов численного, компьютерного моделирования с аналитическими и экспериментальными данными.

Для численного моделирования применялся надежный и апробированный конечно — элементный программный комплекс АЫБУБ 9.0А1 (С 10.09.02 г. программа А^УБ бессрочно аттестована > Госатомнадзором России. Регистрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ

КИ — 490).

Объектами исследования являются основания и фундаменты крупных вертикальных стальных резервуаров, расположенные в сейсмически опасных районах.

Практическое значение выполненных исследований заключается в: усовершенствовании методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных РВС от сейсмического воздействияI — разработке рекомендаций по выбору типа фундамента для различных геологических условий площадки и интенсивности сейсмического воздействия;

— разработке и внедрении эффективных конструкций фундаментов крупных резервуаров для сейсмических районов.

На защиту выносится такие основные позиции как: ^ - методика численного моделирования системы «гибкий резервуар

— вязкая жидкость — фундамент — основание";

— результаты численного моделирования;

— рекомендации по определению величины расчетной сейсмической нагрузки;

— рекомендации по выбору типа фундаментов РВС для I сейсмически опасных районов.

Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при проектировании оснований и фундаментов крупных резервуаров в различных частях Краснодарского края:

— расширение резервуарного парка на ЛПДС «Крымская» на 200 тыс. м3;

— разработка технического решения конструкции фундаментов резервуарного парка ЗАО КНПЗ «Краснодарэконефть»;

— три резервуара объемом по 20 000м3 на ПНБ «Кавказская" — математическое моделирование и разработка конструкций фундамента РВС 30 000м3 на ПНБ «Заречье" — математическое моделирование и разработка конструкции фундамента РВС 50 000м3 на месте демонтируемых ЖБР 10 000м3 ПНБ «Тихорецкая».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: инженерно-строительного факультета Кубанского ГАУ (Краснодар, 2001;2004), региональных (Краснодар, 2003;2005), а также на ряде семинаров кафедры оснований и фундаментов Кубанского ГАУ.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 5 печатных работ, подано 2 заявки на изобретения, получено 2 положительных решения о выдаче патента.

Структура работы, фактический материал и вклад автора.

Диссертация изложена на 112 страницах текста и состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 105 источников. Текст сопровождается 14 таблицами и 68 рисунками.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Фундаменты мелкого заложения способны обеспечивать эксплуатационную надежность резервуаров при сейсмичности 7 и 8 баллов только на грунтах 1 и 2 категории по сейсмическим свойствам (т.е. кроме сильно сжимаемых). При сейсмичности площадки 9 баллов и выше, а также на грунтах 3 категории необходимо применять свайные фундаменты;

2. Разработанная модель системы «гибкий резервуар — вязкая жидкость — фундамент — грунтовое основание» позволяет оценить влияние целого ряда факторов, от которых зависит эксплуатационная надежность вертикальных стальных резервуаров при сейсмических воздействиях;

3. «Импульсный» характер действия распределенной гидродинамической нагрузки на основание имеет существенно большую величину и неравномерность чем гидростатический вес жидкости в применяемых сейчас методиках расчета и проектирования резервуаров;

4. Упруго-пластическая модель дает существенное уточнение результатов расчета по сравнению с упругой только для грунтов III категории по сейсмическим свойствам. Для грунтов II и I категории упругая модель основания резервуара позволяет получить результаты с достаточной для практических целей точностью;

5. Наличие легкого понтона не оказывает существенного влияния на НДС основания и для определения расчетных нагрузок позволяет воспользоваться формулами для резервуаров со стационарной крышей- 6. Предлагаемые формулы позволяют корректно определить расчетную сейсмическую нагрузку на основание с учетом конвективного и импульсного эффектов, что дает возможность повысить эксплуатационную надежность объектов 1 уровня ответственности.