ГЛАВА 22. ОСНОВЫ ЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 22.1. Общие сведения
Листовыми называются конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения или транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.
К листовым конструкциям относятся: резервуары для хранения нефтепродуктов, сжиженных газов, воды и других жидкостей; газгольдеры для хранения и распределения газов; бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов; трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельченных или разжиженных твердых веществ; специальные конструкции металлургической, химической и других отраслей промышленности (кожухи доменных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей, электрофильтров, сосуды для химической и нефтегазовой аппаратуры и т.д.); дымовые и вентиляционные трубы, сплошностенчатые башни, градирни; защитные сооружения-оболочки АЭС .
Даже из приведенного далеко не полного перечня видно, какое широкое применение в народном хозяйстве имеют листовые конструкции, составляющие по массе около 30% всех металлоконструкций, изготовляемых в нашей стране.
22.2. Особенности листовых конструкций
В большинстве случаев листовые конструкции представляют собой емкостные конструкции в виде тонкостенных сплошных оболочек.
Условия работы листовых конструкций весьма разнообразны: они могут быть надземными, наземными, полузаглубленными, подземными, подводными; могут воспринимать статические и динамические нагрузки, работать под низким, средним и высоким давлением, под вакуумом, под воздействием низких, средних и высоких температур, нейтральных или агрессивных сред и Т.Д.2
Листовые конструкции имеют следующие основные особенности, отличающие их от других металлических конструкций. Для них характерно двухосное напряженное состояние, а в местах сопряжения различных оболочек, на участках защемлений их у колец жесткости, крыш и днищ возникают местные напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков (явление краевого эффекта). Листовые конструкции почти всегда совмещают несущие и ограждающие функции.
При изготовлении листовых конструкций необходимы операции, не требующиеся при производстве обычных металлических конструкций: фасонный
Строительство атомных электростанций: Учеб. для вузов. - 2-е изд./Под ред. В.Б. Дубровского. -М.: Энергоатомиздат, 1987. - 248 с.
Лессиг Е.Н., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1970. - 488 с.
раскрой листового проката; вальцовка обечаек из листового и колец из фасонного проката; изготовление рулонных заготовок; штамповка, отбортовка и строжка кромки габаритных выпуклых днищ и др. Листовые конструкции имеют относительно большую протяженность сварных соединенний, в 2-3 раза превышающую протяженность сварных швов в обычных строительных металлических конструкциях на единицу массы. К сварным швам в листовых конструкциях предъявляются повышенные требования, поскольку они должны быть не только прочными, но и плотными (герметичными).
Сварные соединения выполняются встык, внахлестку и впритык. Наиболее целесообразно соединение встык, обусловливающее наименьщий расход металла и высокую надежность соединения. Соединения встык с накладками применяются значительно реже из-за значительного увеличения протяженности сварных швов и концентрации напряжений в зоне шва, что опасно из-за возможности возникновения трещин. Соединения внахлестку могут быть рекомендованы в целях упрощения производства работ (не требуется тщательная подгонка элементов) при наличии небольших усилий. Для наиболее напряженных швов, чаще всего в стыковых соединениях, следует применять способы усиленного контроля качества швов.
Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка, а также элект-рошлаковая сварка используются при изготовлении и монтаже негабаритных листовых конструкций гораздо шире, чем в других типах металлических конструкций.
Для листовых конструкций целесообразно использовать листы толщиной до 4 мм из рулонной холоднокатаной стали, а при толщине от 4 до 10 мм - из рулонной горячекатаной стали. Для большинства листовых конструкций следует применять марки стали в соответствии с указаниями норм, при этом рекомендуемые марки стали должны удовлетворять дополнительным требованиям по ударной вязкости.
Такие сооружения, как магистральные трубопроводы, резервуары специального назначения, кожухи доменных печей, воздухонагреватели и т.п., изготовляют из сталей, марки которых принимают по специальным руководствам.
В резервуарах для кислот и других агрессивных жидкостей целесообразно применение алюминия, алюминиевых сплавов или биметаллов - стальных листов, плакированных со стороны агрессивной среды нержавеющей сталью или никелем.
Для защиты от коррозии наружную поверхность резервуаров или газгольдеров покрывают лакокрасочной пленкой. Нижнюю поверхность плоского днища вертикального цилиндрического резервуара или газгольдера предохраняют от коррозии изоляционным слоем, устраиваемым на песчаном основании. Внутреннюю поверхность листовых конструкций защищают от коррозии только при наличии продуктов, агрессивных по отношению к стали: например, внутреннюю поверхность корпусов резервуаров для сернистой нефти защищают от коррозии перхлорвиниловым покрытием. Специфика работы и эксплуатации листовых конструкций учитывается принятыми в нормах дополнительными коэффициентами условий работы с- Так, при расчете цилиндрических стенок резервуаров низкого давления на прочность = = 0,8 (например, для СВЦР низкого давления /?и 0,7 МПа).
22.3. Основные положения расчета
Большинство листовых конструкций является тонкостенными оболочками вращения. Поверхности таких оболочек имеют одну или две (для сферических оболочек) оси симметрии и два радиуса кривизны, перпендикулярные поверхности: п - меридиональный радиус, образующий кривую вращения; Г2 - кольцевой радиус вращения с началом на оси симметрии (рис. 22.1, а).
Оболочкой называется тело, ограниченное двумя поверхностями, расстояние между которыми (толщина оболочки tw) мало по сравнению с другими ее размерами. Большинство оболочек имеет постоянную толщину, поэтому геометрия их определяется формой срединной поверхности.
Геометрия поверхности оболочки характеризуется гауссовой кривизной Г = (1/п) (1 -2). Различают оболочки положительной гауссовой кривизны - сферические и эллиптические, нулевой гауссовой кривизны - цилиндрические и конические, двоякой кривизны - торообразные.
Под действием произвольной внешней нагрузки в оболочках возникают две группы усилий: 1) нормальные Ni и N2 и сдвигающие Si и S2 усилия, действующие в плоскостях, касательных к срединной поверхности оболочки (рис. 22.1, б); 2) изгибающие моменты М\ и Мг, крутящие моменты М12 и М2\ и поперечные силы Q\ и Qi (рис. 22.1, в).
Особенностью оболочек по сравнению с пластинками является то, что внешняя нагрузка уравновешивается в них в основном нормальными и сдвигающими усилиями, поэтому оболочки работают главным образом на рас-
Рис. 22.1. к расчету листовых конструкций
а - общий вид оболочки вращения; б - элемент оболочки с усилиями в срединной тверхности; в - элемент оболочки, находяи1,ейся в моментном напряженном состоянии; г - равновесное состояние элемента оболочки (к выводу уравнения равновесия Лапласа); д - явление краевого эффекта; I - кольцевое ребро
