Конечно-элементное моделирование поведения резервуаров с учетом конвективной массы жидкости при сейсмических воздействиях от массовых промышленных взрывов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 624. 042. 7: 622. 235: 622. 271.3 В. В. Иванов, А. Г. Новиньков А. Г, С. И. Протасов КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РЕЗЕРВУАРОВ С УЧЕТОМ КОНВЕКТИВНОЙ МАССЫ ЖИДКОСТИ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ОТ МАССОВЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ
Основным документом, регламентирующим сейсмическую безопасность зданий и наземных сооружений при массовых промышленных взрывах, является [1]. Принципиальным недостатком используемого в нем подхода является то, что нормируется не сейсмическая реакция защищаемого объекта, а сама нагрузка. Многообразие конструктивных форм объектов и значительная вариативность динамических характеристик и условий работы последних, не позволяет дать для них надежную количественную оценку напряженно-деформированного состояния от сейсмической составляющей взрывного воздействия. В силу этого, даже полное формальное соблюдение [1] не гарантирует безотказную работу защищаемых объектов. Многолетние сейсмологические исследования на объектах угольной и горнорудной промышленностей, проводимые специалистами Куз-ГТУ, фирмой «Кузбасс-НИИОГР» и Алтае-Саянской опытно-методической сейсмологической экспедицией, показали, что фактические сейсмические воздействия могут достигать уровня 7−8 баллов по шкале МСК. Данный уровень интенсивности воздействия уже требует оценки несущей способности с учетом сейсмических нагрузок. С другой стороны, существует отработанная методика расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия природного происхождения [2]. Однако прямой перенос положений указанного документа на условия промышленных взрывов имеет существенные ограничения. Прежде всего, эти ограничения связаны с тем, что вероятность наступления расчетного события при природных землетрясениях несравненно ниже, чем при ведении взрывных работ. По этой причине, исходя из теории сейсмического риска, используемый в [2] спектральный метод допускает в большинстве случаев развитие значительных повреждений и остаточных деформаций, не угрожающих жизнедеятельности людей и сохранности ценного оборудования, но влекущих ремонтновосстановительные работы. Конечно, такое положение является неприемлемым для условий регулярных взрывов. Кроме того, длительности природных и техногенных воздействий, а также их спектральные составы имеют существенные отличия, соответственно будут отличаться и коэффициенты динамичности.
Следует отметить, что поскольку защищаемые объекты формально находятся в сейсмобезопас-ной зоне, то они возводятся в несейсмостойком исполнении. В сочетании с низким качеством
строительства и монтажа и высокой частотой повторяемости взрывных воздействий становится необходимым ведение мониторинга потенциально опасных объектов. Одним из таких потенциально опасных объектов являются карьерные резервуар-ные парки для хранения горюче-смазочных материалов. Особенностью расчета таких объектов является то, что сейсмическая нагрузка от массы жидкости может быть разложена на две составляющие — от присоединенной массы жидкости и конвективной массы, участвующей в процессе волнообразования. Полное (гидростатическое и гидродинамическое) давление жидкости может быть представлено в следующем виде [3]: р (а, в, 7, I) =
2 = -2ра sin (в) х 7 + к
I Ж2/^) (Х/^} & amp-0)Ь
I (2 а-----------к- + -7^) — + № 7
i=1 Ж ск (х/-) * а
а
где /() — функция, определяющая волнообразование по /'--ой собственной форме- у (0 — функция изменений скорости колебаний основания- к -высота резервуара- р — плотность жидкости- в 7 -относительные координаты- а — радиус резервуара- * - время- х — корень уравнения У 1(х1)=0, где ^(х) — функция Бесселя первого порядка- Ъ
=11/(х2−1).
Также имеется решение при задании кинематического воздействия не во временном, а в частотном диапазоне, когда ускорение основания рассматривается как случайный процесс и задается в виде спектральной плотности [4].
Обе методики задания нагрузки позволяют использовать их в конечно-элементном анализе. Однако в связи с тем, что для реальных расчетов плотность конечно-элементной сетки должна быть достаточно высокой, а для каждого конечного элемента используется индивидуальная функция давления от времени, то создание и управление такой моделью становится достаточно сложным делом, появляется вероятность ошибок. Альтернативой может служить конечно-элементная модель, где жидкость рассматривается как упругое тело с нулевой сдвиговой жесткостью. Взаимодействие между жидкостью и стенкой резервуара осуществляется с использованием уравнений связи для перемещений, нормальных к поверхности стенки. Вязкость жидкости не учитывается. Как
Таблица
Сравнительный анализ собственных частот жидкости в резервуаре, Гц.
Собственные частоты
[3] 0. 248 0. 42 0. 532 0. 619
Метод конечных элементов [МКЭ] 0. 241 0. 405 0. 552 0. 623
будет показано ниже, при сравнительно низких скоростях колебаний данная модель показывает хорошую сопоставимость с аналитическими решениями по полному давлению жидкости. Очевидным достоинством такого подхода является то, что в этом случае не требуется рассматривать связанные задачи взаимодействия жидкости и конструкции с последовательным переходом от решений на эйлеровых сетках для жидкости к лагран-жевым сеткам для конструкции и обратно.
В качестве примера рассмотрим применение данного подхода для оценки несущей способности в условиях промышленных взрывов реального объекта. В рамках работ по обеспечению промышленной безопасности были проведены сейсмологические исследования резервуарного парка ОАО «Разрез Черниговский» и ОАО «Разрез Кед-ровский». Основу резервуарного парка составляют емкости вместимостью 1000 и 2000 м³. В ходе работ были записаны велосиграммы экспериментальных и промышленных взрывов мощностью от 23.7 до 194.2 т. Все взрывы — короткозамедленные, время замедления 20, 35 и 50 мс, масса заряда в серии от 1450 до 2528 кг. Кроме этого на микросейсмах определялись собственные частоты резервуаров с различным уровнем заполнения. Время осреднения от 15 минут. Использовались 15-канальная сейсмостанция & quot-Гном"- с частотой дискретизации до 512 Гц и шестиканальная сейсмостанция & quot-Байкал-11"- с частотой дискретизации 400 Гц, а также трехкомпонентные сейсмоприемники СК-1П с резонансной частотой 1.0 Гц. Датчики устанавливались на основании возле емкости, а также на крыше резервуаров. Вывод информации осуществлялся на магнитные диски.
На первом этапе определялись собственные частоты колебаний жидкости. Использовался метод редукции динамических степеней свободы, -рассматривались только вертикальные перемещения узлов на верхнем слое жидкости. Сравнение
производилось с известными решениями по [3]. Результаты сравнения представлены в таблице. Первая собственная форма колебаний приведена на рис. 1.
Дальнейшая оценка достоверности расчетной модели производилась сравнением полного давле-
Рис. 1. Первая собственная форма колебаний жидкости. Частота — 0. 24 Гц. Кровля резервуара условно не показана
ния жидкости, полученных МКЭ с аналитическим решением по [3] на записи экспериментального взрыва, модулированного до уровня семь баллов
ш
ш
ЕС
ш
о
о
ш
7
сс
X
о
о.
Время, С
Рис. 2. Оценка вклада форм колебаний жидкости в величину гидродинамического давления. Р1, р2 и т. д. — гидродинамическое давление от колебаний жидкости по первой, второй и т. д. формам соответственно
[3]
1. 08−10
1. 06 10
1. 04−10
1. 02−10
1 -10
9.8 10
9. 6−10
9. 4−10
9. 2−10
О
1
Время, с
Рис. 3. Сравнение полного (гидростатического + гидродинамического) давления, полученного методом конечных элементов (тонкая линия) и решения по [3] (жирная линия)
по шкале МСК (максимальное ускорение — 1 м/с2). Предварительно выполнялась оценка сходимости ряда в аналитическом решении. Решение дифференциальных уравнений производилось методом Рунге-Кутта четвертого порядка с фиксированным шагом. Оценка вклада форм колебаний по трем первым собственным частотам в общее гидродинамическое давление представлено на рис. 2. Было подтверждено, что основной вклад в величину гидродинамического давления вносят колебания
жидкости по первой собственной форме. В дальнейшем расчете удерживалось пять членов ряда.
В МКЭ динамический анализ производился прямым интегрированием по неявной схеме Нью-марка. Интервал временной дискретизации 0. 0025 с. Общее время отслеживания — 8.5 с. Частота записи в файл результатов — каждый 10-й этап за-гружения. Сравнение решений для полного давления жидкости, полученных по [3] и методом конечных элементов представлено на рис. 3.
Было проведено несколько расчетов на реальные взрывные сейсмические воздействия. Все воздействия модулировались по амплитуде до величины эквивалентной ускорению в 1 м/с2 при сохранении частотного спектра.
Анализ показал, что дополнительные мембранные напряжения в обечайке резервуара по критерию Губера-Мизеса, обусловленные гидродинамическим давлением жидкости, достигают 15−22% от уровня напряжений при гидростатическом давлении. Высота волны не превышает 6 см, что позволяет не рассматривать в качестве расчетного события удар волны в крышу резервуара.
Таким образом, несущую способность резервуаров, находящихся в зоне сейсмического действия массовых промышленных взрывов, если интенсивность последних достигает семи баллов по шкале МСК, следует определять с учетом дополнительных напряжений. При наличии концентраторов напряжений следует учитывать скоростной режим загружения, влияющий на возможность развития пластических деформации. В первую очередь, это требование относится к конструктивным формам пониженной хладостойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Единые правила безопасности при взрывных работах. ПБ 13−407−01. — СПб.: ДЕАН, 2002. 240с.
2. СНиП 11−7-82*. Строительство в сейсмических районах. /Минстрой РФ. — М.: ГП ЦПП, 1996. 52с.
3. Гольденблат И. И., Николаенко Н. А. Расчет конструкций на действие сейсмических и импульсивных сил. — М.: Госстройиздат, 1961. 319 с.
4. Петров А. А. Оценка сейсмической реакции резервуаров с жидкостью // Промышленное и гражданское строительство. 1993. № 5. с. 3−4.
? Авторы статьи:
Протасов Сергей Иванович
— канд. техн. наук, директор фирмы «КузбассНИИОГР»
Иванов Вадим Васильевич
¦ докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики
Новиньков Алексей Геннадьевич
¦ канд. техн. наук, доц. каф. строительных конструкций
УДК 622. 831
А. Н. Соловицкий
О ЗОНИРОВАНИИ БЛОЧНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Проведение зонирования блочного массива горных пород обеспечивает упорядочение геомеханического обеспечения геотехнологии освоения недр. Для учёта результатов зонирования предлагается следующая классификация:
— выделение зон геодинами-ческой активности-
— выделение напряженных
зон-
— выделение энергетически аномальных зон.
Предложенная классификация отражает исторический и технический аспекты развития данного вопроса [1,3−5].
Выделение зоны геодина-мической активности производится по амплитудам движений блоков- выполненный анализ [1] показывает, что данный вид зонирования наиболее распро-
странен в настоящее время при освоении газовых и нефтяных месторождений, на которых получен ряд экспериментальных закономерностей.
Так, например, на основе ежегодных гравиметрических повторных наблюдений в течение 5 лет в Припятской впадине (нефтяные и газовые месторождения) установлено [2], что в зоне Речинского разлома годовые изменения локальных аномалий силы равны:
-5 -2
-0,10−10 мс за период
исследований, равный 1 году-
-5 -2
-0,04−10 мс при перио-
де исследований 2,3 и 4 года.
Выделение напряженных зон блочного массива горных пород одна из главных задач зонирования при освоении
угольных и рудных месторож-
дений. В зонах, где величины напряжений значительны, достаточно мощный взрыв может послужить толчком, инициирующим проявление геодина-мических явлений, мощность и последствия которого зависят от накопленной потенциальной энергии. Последствия проявления геодинамических явлений особенно серьёзные в случае неоднородной блочной структуры массива горных пород.
Следует отметить, что в нетронутом блочном массиве горных пород не отмечается проявление геодинамических явлений, обусловленных естественными геодинамическими процессами, при скоростях деформации земной коры, оцениваемых 1−10−5 — 1−10−6 в год [1]. Следовательно, в напряженных зонах скорости деформаций

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой