Обзор упрощенных методик расчета резервуаров на сейсмические воздействия

Большое количество резервуаров для хранения нефти, нефтепродуктов и других жидких углеводородов находятся в сейсмоопасных районах. У промышленных предприятий и частных лиц стоят резервуары для воды, на АЗС стоят баки для топлива, стоят газгольдеры и т.д.

Имеющийся в РФ нормативный документ по сейсмостойкости – СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» [2] регламентирует лишь простейшую консольную схему, которая слабо применима или не применима к оболочкам с жидкостью. Расчет резервуаров на сейсмические воздействия является сложной междисциплинарной задачей. Существует необходимость разработки современного нормативного документа, который заключал бы в себе положения по такому расчету.

В рамках нормотворческой деятельности ООО «НПК Изотермик» был произведен об-зор основополагающих работ, составляющих базис норм сейсмического проектирования разных стран, в частности, США [11,4], Новой Зеландии [10] и стран Европейского Союза.

Базовой является механическая модель Хаузнера [7], в которой гидродинамическое воздействие жидкости замещается механическим взаимодействием точечных масс – им-пульсивной (масса, жестко соединенная со стенкой) и конвективной (масса, соединенная со стенкой при помощи пружин) . Стенки резервуара в исходной схеме были приняты аб-солютно жесткими, а жидкость – несжимаемой и невязкой. В работе Велетсоса и Янга [12] было показано, что допущение о гибкости стенок резервуара и связи с фундаментов часто приводит к некорректным результатам. Харуном и Хаузнером [6] была проведена работа выработке теории расчёта с учетом гибкости стенок резервуара. Малхотра [8] предложил упрощенную методику, включенную впоследствии в Еврокод 8. Наиболее подробной яв-ляется методика, изложенная в нормативном документе Новозеландского общества инже-неров-сейсмологов [10]. Ключевой особенностью этих норм является их универсальность; спектр их применения охватывает как стальные, так и железобетонные резервуары. Применение полученных результатов позволяют уменьшить  количество времени на заправку газгольдеров и стоимость.

Таким образом, в указанных выше работах применяются две основные механические модели резервуаров (рис.1).

Механические модели резервуара

Модифицированная модель Хаузнера нашла отражение в российском стандарте «Ро-стехэкспертизы» [3].

Ученые и инженеры из ЦНИИСК [1] применяли другой подход к этой проблеме. В 60-е годы ими были выпущены рекомендации по проектированию резервуаров и газгольдеров, в которых приводились шаги по определению гидродинамического давления. Эпюры дав-ления при этом были аналогичны тем, что получили Велетсос и Янг.

Альтернативной методикой является работа Дж. Маноса [9]. Отказываясь от сложно-го математического моделирования процессов, происходящих внутри резервуара, он пред-ложил метод, основанных на экспериментальных данных и реальных повреждениях ре-зервуаров, полученных в результате землетрясений в Калифорнии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гольденблат И. И. Рекомендации по расчету резервуаров и газгольдеров на сейсми-ческие воздействия/И. И. Гольденблат, Н. А. Николаенко, А. Т. Штоль, В. Р. Тумасов. - ЦНИИСК М: Стройиздат, 1969. - 45 с.
2. СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах (актуализированная ре-дакция СНиП II-7-81*). Минстрой России. - М.: ОАО "НИЦ "Строительство", 2014.
3. СТО-СА-03-002-2009. Правила проектирования, изготовления и монтажа верти-кальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. – Ассоциа-ция Ростехэкспертиза. М., 2009. – 216 с.
4. AWWA Standard D100-05. Welded Steel Tanks for Water Storage, 2005.
5. Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 4: Silos, tanks, and pipe-lines, 2003.
6. Haroun M. A., Housner G. W. Seismic design of liquid storage tanks//Journal of the Tech-nical Councils of ASCE. – 1981. – Т. 107. – №. 1. – С. 191-207.
7. Housner G.W. Earthquake Pressures on Fluid Containers//California Institute of Technol-ogy, 1954
8. Malhotra P. K. Simple Procedure for Seismic Analysis of Liquid-Storage Tanks/P. K. Mal-hotra//Structural Engineering International. - 2000. - 1997. - №3. - p.197-201
9. Manos G.C. Earthquake Tank-Wall Stability of Unanchored Tanks /G. C. Manos//J. Struct. Eng. - 1986. - pp. 1863-1880
10. Seismic Design of Storage Tanks – Recommendations of a Study Group of the New Zealand National Society for Earthquake Engineering. - New Zealand National Society for Earth-quake Engineering, 1986
11. Standard A. P. I. 650, Welded steel tanks for oil storage //American Petroleum Insti-tute. – 1988.
12. Veletsos A.S., Yang JY Earthquake response of liquid storage tanks//Proc. of 2nd Engg. Mechanics specialty conf. ASCE Raleigh, 1977, 1-24.

Авторы:

• Р.Р. Шигапов, Аспирант кафедры теоретической механики и аэродинамики НИУ МГСУ
• О.А. Ковальчук, Кандидат технических наук, профессор кафедры теоретической механики и аэродина-мики НИУ МГСУ