Листові конструкції. Призначення, класифікація та особливості роботи листових конструкцій

ЛЕКЦІЯ 13

4. 1. Листові конструкції

4.1.1. Призначення, класифікація та особливості роботи листових конструкцій

Листовими називають конструкції, які складаються, в основному, із плоских чи гнутих металевих листів і призначені для збереження або транспортування рідини, газів та сипучих матеріалів.

            До листових конструкцій відносять резервуари, газгольдери, бункери, силосні башти, трубопроводи великих діаметрів, спеціальні конструкції хімічної, металургійної та інших галузей промисловості, димові труби, башти, градирні, захисні оболонки АЕС. Близько 30% металоконструкцій-це листові.

Листові конструкції можуть бути підземними, надземними, підводними;      

можуть сприймати статичні або динамічні навантаження; працювати під високим або низьким тиском /вакуумом/, тому умови їх роботи дуже різноманітні. В основному, листові конструкції працюють при двоосному напруженому стані; вони суміщають несучі та огороджуванні функції.

          У листових конструкціях до зварювальних швів вимоги підвищені: вони повинні бути не тільки міцними, а й щільними. В листових конструкціях протяжність /відносна/ зварювальних швів удвічі більша, ніж у звичайних конструкціях, тому актуальною є проблема зниження трудомісткості зварювальних робіт на монтажі; ця проблема пом’якшується виготовленням на заводі в рулонних заготовок конструкції /їх зварюють з багатьох листів/.

Специфічними є й такі операції при виготовленні листових конструкцій, як вальцювання, гнуття, штампування та інші.

4.1.2.  Робота і розрахунок тонких оболонок обертання

Більшість листових конструкцій – тонкостінні оболонки обертання, що мають одну або дві осі симетрії та два радіуси кривини /рис. 89/:r₂ – кільцевий радіус;r₁- меридіональний радіус.

Розрізняють оболонки додатної гаусової кривизни – сферичні та еліптичні, нульової кривини – циліндричні та конічні; змішаної кривини – тороїдні. В основному всі оболонки працюють на осьові зусилля й розраховуються як безмоментні.

Для оболонок подвійної кривизни істинне рівняння Лапласа, яке отримане з умови рівності нуль проекцій усіх сил на нормаль  n:

s₁/r₁+s₂/r₂=P/t   ,

де Р – внутрішній тиск; t –товщина оболонки.

Друге рівняння s₁=N₁/t=Pr₂/2t     одержано з умов рівності нулю проекцій всіх сил на вісь Z :

для циліндричної оболонки

s₂= Pr₂/t;

для сферичної оболонки

s₁=s₂= Pr₂/2t;

Розрахунок оболонки на стійкість виконують за формулою:

s₁ £g_С s_С2,1.

У місцях зміни форми оболонок, зміни їх товщини, примикання до інших оболонок виникає “крайовий ефект” – це місцевий згин окремих ділянок листових конструкцій, що враховують у розрахунках.

4.1.3. Вертикальні циліндричні резервуари

Резервуари – це ємності, призначенні для зберігання рідин.

Найбільш поширені вертикальні циліндричні резервуари низького тиску /рис. 90/.

            Оптимальна висота такого резервуару

Δh_opt=,

де V – об’єм резервуару, Δ – сума зведених товщин днища й покриття, t – товщина стінки корпусу резервуару /4....16 мм/.

            При постійній товщині стінки корпусу резервуару (за дослідженням Шухова) сумарна маса днища й покриття вдвоє більша маси стінки.

            Товщину днища приймають конструктивно 4 мм. Стінку розраховують як циліндричну оболонку на дію внутрішнього тиску /на глибину х/:

   P_х = γ_f1хρ+P_n γ_f2,

де γ_f1 – коефіцієнт надійності за навантаженням для гідростатичного тиску, γ_f1=1,1

γ_f2-те саме для надмірного тискуP_n ,

γ_f2=1,2,  ρ – густина рідини.

            Кільцеві напруження у стінці корпусу не повинні перевищувати несучу здатність стикових швів:

s = P_хr / tR_wy γ_c/ γ_n ;

де r – радіус резервуару,

t – товщина стінки,

γ_c – коефіцієнт умов роботи резервуару, γ_c = 0,8.

У місці з’єднання стінки із днищем перевіряють стінки на згин від крайового ефекту.

Покриття виготовляють із щитів, які складені з прокатних профілів та листів.

            Водонапірні башти теж обладнані такими резервуарами, тільки днище виконують конічним, сферичним або еліпсоїдальним.

4.1.4.  Резервуари високого тиску

Це горизонтально циліндричні резервуари об’ємом 3 ... 300 м³, вони

економічніші за інші типи резервуарів підвищеного тиску /2,5...18 атм/. Товщина стінки 3...36 мм. Головна позитивна якість – можливість поточного їх виготовлення на заводах та перевезення у готовому вигляді /довжина їх до 3 м, діаметр до 4 м/.

            Вертикальні циліндричні резервуари теж можуть бути підвищеного тиску, але покриття тоді виконується сферичним, а днище прикріплюється до фундаменту /рис. 91/, бо інакше воно може бути зруйноване.

            Вертикальні циліндричні резервуари можуть бути змінної ємкості: з плаваючим дахом, з понтоном це зменшує втрати рідини, що легко випаровується.

Сферичні резервуари призначені для зберігання зріджених газів під високим внутрішнім тиском. Об’єм цих резервуарів коливається від 600 до 4000 м², тиск 2,5...18 атм. Трудомісткість резервуару залежить від схеми розкрою сфери. Елементи вальцюють або штампують. Опираються резервуари на кільцеві опори або системи стояків /рис. 92/.

            Каплеподібний резервуар має форму, якої набуває кругла капля рідини, що лежить на не змочуваній горизонтальній поверхні під дією сил поверхневого натягу. Така форма робить його рівноміцним при роботі, утримує пари рідини від розсіювання в атмосфері та зменшує втрати рідини. Великий недолік – складність виготовлення і монтажу, тому вартість їх вища типових сферичних  через це вони не одержали широкого розповсюдження.

Рис . 89 . До розрахунку листових конструкцій

 Рис. 90. Вертикальний циліндричний резервуар:

1 – днище

2 – стінка корпусу

3 – центральний стояк

4 – покриття

4.1.5.  Газгольдери

Газгольдери – це ємності для зберігання й зміщування газів. Їх використовують як акумулятори, що регулюють витрати газу.