Металлический вертикальный сейсмостойкий резервуар
METAL VERTICAL SEISMIC TANK

Изобретение относится к строительству, а именно к металлическим вертикальным резервуарам для хранения жидкостей (нефть, вода и др.), сооружаемым в сейсмических районах.
Известен металлический вертикальный резервуар, включающий цилиндрическую стенку, круглые днище и крышку (см. Беленя Е.И., ред. Металлические конструкции. М., Стройиздат, 1985, с. 468-471).
Недостатками указанной конструкции резервуара являются относительно высокая металлоемкость и низкая сейсмостойкость.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому (прототипом) является вертикальный цилиндрический резервуар, включающий стенку, днище, крышу, плавающие рассекатели волн. Резервуар снабжен дополнительной емкостью с двойным герметичным днищем, имеющим центральное отверстие, и вертикальными направляющими, каждая из которых имеет верхний и нижний ограничители перемещений и закреплена на внутренней стороне стенки резервуара. Рассекатели волн выполнены в виде тонкостенных перфорированных балок с герметичными нижними поясами из полого трубчатого профиля (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1231189, МПК E04H 7/06, 1986 г.).
Недостатками резервуара-прототипа являются относительно ограниченные устойчивость, жесткость и обтекаемость ветровыми воздушными потоками.
Задачей изобретения является повышение устойчивости, жесткости и степени обтекаемости ветровыми воздушными потоками конструкции резервуара.
Для решения поставленной задачи в металлическом вертикальном сейсмостойком резервуаре, включающем стенку, днище, крышу, плавающие рассекатели волн, выполненные в виде тонкостенных перфорированных балок с герметичными нижними поясами из полого трубчатого профиля, дополнительную емкость с двойным герметичным днищем, имеющим центральное отверстие и вертикальные направляющие, каждая из которых имеет верхний и нижний ограничители перемещений и закреплена на внутренней стороне стенки резервуара, днище и крыша резервуара, днище и центральное отверстие дополнительной емкости выполнены в плане в виде фигуры треугольника Релло, а стенки резервуара и дополнительной емкости имеют поперечное сечение в форме треугольника Релло, рассекатели волн располагаются в плане по осям углов треугольника Релло, причем резервуар установлен так, чтобы один из углов стенки в плане располагался напротив направления основного вектора розы ветров.
Сущность изобретения заключается в том, что днище и крыша резервуара, днище и центральное отверстие дополнительной емкости в плане выполнены в виде фигуры Релло, а стенки резервуара и дополнительной емкости имеют поперечное сечение в форме треугольника Релло, рассекатели волн располагаются в плане по осям углов треугольника Релло, причем резервуар установлен так, чтобы один из углов стенки в плане располагался напротив направления основного вектора розы ветров. Такие новые признаки, как выполнение днища и крыши резервуара, днища и центрального отверстия дополнительной емкости в плане в виде фигуры треугольника Релло, а стенок оболочки резервуара и оболочки дополнительной емкости в поперечном сечении в форме треугольника Релло, позволяют предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что у днища и крыши резервуара, у днища и центрального отверстия дополнительной емкости увеличиваются периметры, а у оболочек резервуара и дополнительной емкости повышаются внешние и внутренние боковые поверхности, а также в целом у конструкции металлического вертикального резервуара повышается прочность. Следующий новый признак, заключающийся в расположении рассекателей волн в плане по осям углов треугольника Релло, позволяет предложенному техническому решению проявить новое свойство, способствующее повышению жескостных и прочностных параметров конструкции за счет расположения балочных элементов в зонах повышенной жесткости резервуара. Другой новый признак, заключающийся в установке вертикального резервуара одним из углов стенки в плане напротив направления основного вектора розы ветров, позволяет предложенному техническому решению достигнуть нового свойства, заключающегося в заметном уменьшении сопротивления конструкции вертикального резервуара движению ветровых воздушных потоков.
Вышеуказанные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению достигнуть эффектов, заключающихся в повышении устойчивости, жесткости и степени обтекаемости ветровыми воздушными потоками конструкции резервуара. Все это позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения “новизна” и “существенное отличие”.
На фиг. 1 изображен металлический вертикальный сейсмостойкий резервуар, разрез по вертикали.
На фиг. 2 изображен разрез A-A на фиг. 1.
На фиг. 3 изображен разрез B-B на фиг. 1.
Металлический вертикальный сейсмостойкий резервуар состоит из крыши 1, стенки 2, днища 3, радиальных рассекателей волн 4, дополнительной емкости 5, направляющих 6, ограничителей верхнего 7 и нижнего 8 перемещений.
Рассекатель волн 4 состоит из перфорированной тонкой стенки 9, верхней полки 10, нижней полки 11, выполненной в виде полого стержня квадратного или круглого сечения, ребер 12, торцового ограничителя 13, упругой прокладки 14, выполненной в виде полуцилиндра с высотой, равной высоте рассекателя волн. Дополнительная емкость 5 состоит из стенки 15, днища 16 и 17, трубки 18, образующей отверстие в днище. Пространство, ограниченное стенкой 15, трубкой 18 и верхними и нижними днищами 16 и 17, выполнено герметичным. Герметичными выполнены также нижние пояса рассекателей волн 4, выполняющие функцию поплавков. Крыша 1, днище 3 резервуара и днище 16 и 17 дополнительной емкости в плане выполнены в виде фигуры Релло. Стенка 2 резервуара и стенка дополнительной емкости 5, стенка трубки 18, формирующей отверстие в днище дополнительной емкости, имеют поперечное сечение в форме треугольника Релло. Из-за того, что стенка трубки 18 в днище дополнительной емкости 5 имеет поперечное сечение в форме треугольника Релло, то центральное отверстие, которое формирует трубка 18 в днище дополнительной емкости 5 в плане имеет фигуру Релло.
a
a
Треугольник Релло представляет собой фигуру постоянной ширины, образованную пересечением трех дуг радиуса , центры которого находятся в вершинах равностороннего треугольника со стороной .
У круга ширина в любом направлении одна и та же - она равна диаметру круга. К фигурам, имеющим постоянную ширину, относится также треугольник Релло.
a
Из всех фигур заданной постоянной ширины треугольник Релло обладает наименьшей площадью. Если ширина его равна , то его площадь равна . Следовательно, при равных площадях, треугольник Релло имеет большую ширину по сравнению с кругом. По сравнению со стенками резервуара, дополнительной емкости и трубки, формирующей центральное отверстие в днище дополнительной емкости, с поперечными сечениями оболочек в форме круга, стенки резервуара, дополнительной емкости и трубки с поперечными сечениями оболочек в форме треугольника Релло имеют большие суммарные периметры (внешние плюс внутренние), а следовательно, большие суммарные поверхности, что имеет существенное значение для более эффективного рассеивания механических (статических и динамических) и температурных напряжений. Крыша и днище резервуара и днище и центральное отверстие дополнительной емкости, выполненные в плане в виде фигуры Релло, по сравнению с этими же элементами конструкции резервуара, выполненными в плане круглыми, обладают более повышенными прочностными параметрами и также способствуют более эффективному рассеиванию механических и температурных напряжений.
Поверхности оболочек (внешние плюс внутренние) стенок резервуара, дополнительной емкости и трубки, формирующей центральное отверстие днища дополнительной емкости с поперечными сечениями в форме треугольника Релло, по сравнению с поверхностями этих оболочек с поперечными сечениями в форме круга, увеличиваются более чем на 5%.
У треугольника Релло, по сравнению с кругом той же площади, диаметр практически во всех направлениях, проходящих через центр тяжести фигуры, больше на 5%, за исключением нескольких направлений, где они равны. Следовательно, жесткость оболочек резервуара, дополнительной емкости, трубки, формирующей центральное отверстие днища дополнительной емкости, выполненных в форме треугольника Релло, а также жесткость крыши и днищ резервуара и дополнительной емкости, выполненных в виде фигуры Релло, увеличиваются.
Высота уровня жидкости в дополнительной емкости составляет h=(0,1÷0,2)H, что соответствует уровню интенсивного воздействия жидкости на стенки резервуара при землетрясениях.
Ширина дополнительной емкости d назначается такой, чтобы за время образования и движения поверхностной волны в резервуаре до края емкости 5 образовавшаяся волна, отразившись от противоположной стенки емкости, успела вернуться к началу движения d=(0,1÷0,2)D, или период колебания поверхности волны в резервуаре должен быть в два раза больше периода колебания жидкости в емкости 5.
Конструкция работает следующим образом.
В процессе заполнения резервуара жидкостью постепенно увеличивается ее объем, при этом рассекатели с дополнительной емкостью всплывают по направляющим. От сейсмического воздействия в резервуаре и емкости образуются поверхностные волны. В момент достижения гребнем волны резервуара края емкости 5 гребень волны в последней находится против гребня волны резервуара. Динамическая составляющая волны дополнительной емкости действует на встречу динамической составляющей волны резервуара, что приводит к значительному гашению энергии сейсмического воздействия. Оставшаяся часть этой энергии гасится за счет переливания жидкости через перфорированную эластичную стенку 9 и верхний пояс волногасителей. В предложенной конструкции резервуара рассекатели волн располагаются более компактно в наиболее жестких зонах резервуара, что при динамических нагрузках позволяет повысить устойчивость конструкции в целом.
Одним из углов реллообразная оболочка стенки 2 резервуара устанавливается напротив направления основного вектора розы ветров, установленной для территории возведения металлического вертикального резервуара.
Углы при вершинах треугольника Релло равны 120°, это более чем на 30% меньше угла, образованного касательными пересекающимися линиями, куда может вписаться круг. Естественно, обтекаемость резервуара с сечением в форме треугольника Релло, при установке его одним из углов напротив ветрового воздушного потока, будет заметно лучше обтекаемости резервуара с сечением в форме круга.
Предлагаемую конструкцию резервуара целесообразно применять при расчетной сейсмичности девять и более баллов и высоких ветровых нагрузках для хранения дорогих и стратегических жидкостей.
Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, заключается в повышении устойчивости, жесткости и степени обтекаемости ветровыми воздушными потоками конструкции металлического вертикального резервуара.