STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE

Transkrypt

1 WYKŁADY: 1. Wprowadzenie do konstrukcji powłokowych; Zbiorniki stalowe na ciecze i na gazy; rodzaje i podział zbiorników, materiały, obciążenia, metody obliczania i konstruowania. Zbiorniki pionowe na produkty naftowe i na wodę. Zbiorniki wieżowe. 2. Silosy i zasobniki; klasyfikacja silosów, zasady ustalania obciążeń, zasady obliczania sił wewnętrznych i konstruowania. Modelowanie MES. 3. Zasobniki konstrukcje z blach płaskich, zasady ustalania obciążeń, zasady obliczania sił wewnętrznych i konstruowania. STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE Tematyka wykładów Przedmiot projektów 4. Konstrukcje wsporcze suwnic, estakady, belki podsuwnicowe podwieszone i podparte: obciążenia, schematy obliczeniowe, obliczanie i konstruowanie. PROJEKTY: Projekt budowlany konstrukcji stalowej: zbiornika, zasobnika albo silosu. Strona 1

2 Podstawą zaliczenia przedmiotu jest: oddanie w terminie i obrona pracy projektowej, zaliczenie kolokwium z wykładów. STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU Ocena końcowa obliczana jest ze wzoru: ZAL = (2K + P)/3 gdzie: K ocena z kolokwium z wykładów, P ocena z projektu. Strona 2

3 Łubiński M., Żółtowski W.: Konstrukcje metalowe, cz. II. Arkady 2004 r. Ziółko J., Mendera Z., Włodarczyk W.: Specjalne konstrukcje stalowe. Arkady, 1996r. Poradnik projektanta konstrukcji metalowych, tom II. Arkady 1982 r. Ziółko J.:Zbiorniki metalowe na ciecze i gazy. Arkady 1986 r. Girkmann K.: Dźwigary powierzchniowe. Arkady, 1957 r. Lessig E. N., Lilejew A.F., Sokołow A.G.: Konstrukcje z blach stalowych. Arkady 1960 r. STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Zalecana literatura Strona 3

4 PN-EN Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje. Część 4: Silosy i zbiorniki. PKN, PN-EN Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 4-1: Silosy, CEN PN-EN Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 4-2: Zbiorniki, CEN PN-EN Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-6: Wytrzymałość i stateczność konstrukcji powłokowych, CEN PN-EN Specyfikacja dotycząca projektowania i wytwarzania na miejscu zbiorników pionowych, o przekroju kołowym, z dnem płaskim, naziemnych, stalowych spawanych na ciecze o temperaturze otoczenia i wyższej PN-B-03210: 1997 Konstrukcje stalowe. Zbiorniki walcowe pionowe na ciecze. Projektowanie i wykonanie (wycofana) PN-B-03211: 1999 Konstrukcje stalowe. Zbiorniki kuliste ciśnieniowe. Projektowanie i wykonanie. (wycofana) PN-B-03202: 1996 Konstrukcje stalowe. Silosy na materiały sypkie. Obliczenia statyczne i projektowanie. (wycofana) STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Zalecane normy Strona 4

5 STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Zbiorniki cylindryczne pionowe na paliwa płynne - z dachem stałym - z dachem pływającym - zbiorniki podziemne Strona 5

6 STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE PROJEKTOWANIE BB STALOWE OWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Zbiorniki cylindryczne poziome - naziemne - podziemne MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DO ĆWICZEŃ PROJEKTOWYCH KATEDRA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Strona 6

7 STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Silosy na materiały sypkie Strona 7

8 STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Zbiorniki wieżowe na wodę Zbiorniki na gazy Strona 8

9 STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Kominy stalowe Konstrukcje wsporcze elektrowni wiatrowych Galerie powłokowe Strona 9

10 STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Zasobniki cylindryczne Strona 10

11 STALOWE KONSTRUKCJE POWŁOKOWE Inne niebudowlane konstrukcje powłokowe Naturalna powłoka Strona 11

12 KONSTRUKCJE z BLACH PŁASKICH ZASOBNIKI (objęte projektem) Wyjątek! wymiarowanie według PN-EN Strona 12

13 W większości takich konstrukcji blacha występuje w postaci zakrzywionej (jednokierunkowo lub dwukierunkowo). Na tym opiera się efektywność takich konstrukcji, pojawiające się siły powłokowe, pozwalają zwielokrotnić przejmowane obciążenia (w stosunku do obciążenia przejmowanego przez blachę płaską) i nadać atrakcyjną formę obiektowi. Nośność powłok jest wynikiem ich zakrzywionego kształtu. CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH MOŻLIWE FORMY PRACY POWŁOK Stan błonowy (powłokowy) występują jedynie siły normalne, blacha wolna jest od zginania. Stan powłokowy, występuje gdy: Powierzchnia środkowa powłoki jest zakrzywiona w sposób ciągły; Grubość powłoki nie zmienia się skokami; Obciążenia powierzchniowe są rozłożone w sposób ciągły; Siły brzegowe są skierowane stycznie do powierzchni środkowej. Strona 13

14 CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH MOŻLIWE FORMY PRACY POWŁOK Praca błonowa zbiornika cylindrycznego pionowego Strona 14

15 CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH MOŻLIWE FORMY PRACY POWŁOK Stan zgięciowy w zbiornikach Strona 15

16 CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH Działanie sił skupionych W konstrukcjach powłokowych występujący stan naprężenia możemy uważać za złożony z błonowego stanu naprężenia (siły powierzchniowe) oraz ze zgięciowego stanu naprężenia wywołanego przez siły i momenty których nie da się pogodzić z błonowym stanem naprężenia. MOŻLIWE FORMY PRACY POWŁOK Stan zgięciowy w zbiornikach Stan naprężenia w powłoce może być uważany za sumę naprężeń błonowych i stanu naprężeń zgięciowych. Strona 16

17 CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH Imperfekcje powłok Z uwagi na małą sztywność płaszcza powłok z blach i dużą ilość spoin wykonywanych podczas montażu 1 przy wbudowywaniu poszczególnych arkuszy, kształt powłok jest często zdeformowany. Np. deformacje płaszcza w wielu zbiornikach, w praktyce przekraczają dopuszczalne wartości odchyłek od kształtu walcowego. Powstające przy spawaniu odkształcenia spawalnicze silnie wpływają na powstanie niedokładności kształtu płaszcza. W skrajnych przypadkach obciążenie zmienne (napełnianie i opróżnianie) może doprowadzić to do pękania zmęczeniowego (zmęczenie niskocyklowe). 1 np. zbiornik cylindryczny pionowy o pojemności 5000m 3 : 477 arkuszy blach i ok. 2 km spoin Strona 17

18 CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH MOŻLIWE FORMY PRACY POWŁOK Utrata stateczności miejscowej Przykład wpływu imperfekcji na obniżenie naprężeń krytycznych utraty stateczności powłok. Strona 18

19 Konstrukcja zbiornika, komina lub silosu to na ogół cienkościenna walcowa lub stożkowa powłoka nośna nieusztywniona, ewentualnie z pierścieniami usztywniającymi. Norma PN-EN określa miarodajne stany graniczne powłok stalowych jako: LS1 zniszczenia na skutek uplastycznienia materiału przy ściskaniu lub rozerwania przy rozciąganiu ścianki powłoki, LS2 zmęczenia niskocyklowego (nieprzystosowania plastycznego) LS3 niestateczności (wyboczenia), LS4 zmęczenia wysokocyklowego; Sprawdzenie stanów granicznych nośności LS1 i LS3 w projektowaniu powłok stalowych może być prowadzone za pośrednictwem globalnej analizy numerycznej z wykorzystaniem programów komputerowych i metody elementów skończonych, bądź na podstawie obliczeń w uproszczonym, często stosowanym podejściu naprężeniowym (bezpośrednim). STANY GRANICZNE STALOWYCH KONSTRUKCJI POWŁOKOWYCH Strona 19

20 Sprawdzenie stanu granicznego nośności powłoki w podejściu naprężeniowym wymaga sprawdzenia warunków normowych w każdym punkcie powłoki. W ujęciu ogólnym można to przedstawić: (PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE) Strona 20

21 LS1: zniszczenie plastyczne lub rozerwanie powłoki Naprężenia zastępcze Hubera-von Milesa: σ = σ + σ σ σ ( τ + τ + τ ) 2 2 eq,ed x,ed θ,ed w,ed θ,ed 3 x, θ,ed xn,ed θn,ed σ σ τ n x,ed x,ed = ± n θ,ed θ,ed = ± n t t xθ,ed xθ,ed = ± t τ xn,ed = τ θ = n,ed q q t + m x,ed 2 ( t / 4) m θ,ed ( 2 t / 4) m xθ,ed 2 ( t / 4) xn, Ed θ n, Ed t (PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE) Wymiarowanie na podstawie stanu naprężenia Strona 21

22 NOŚNOŚCI (NIESTATECZNOŚCI) POWŁOKI OZNACZENIE SKŁADOWYCH POWŁOK W normie PN-EN wprowadzono jednakowe oznaczenie dla kierunków, osi współrzędnych, obciążeń, sił wewnętrznych, naprężeń i odkształceń w powłokach. Strona 22

23 NOŚNOŚCI (NIESTATECZNOŚCI) POWŁOKI OZNACZENIE SKŁADOWYCH POWŁOK W normie PN-EN wprowadzono jednakowe oznaczenie dla kierunków, osi współrzędnych, obciążeń, sił wewnętrznych, naprężeń i odkształceń w powłokach. Strona 23

24 NOŚNOŚCI (NIESTATECZNOŚCI) POWŁOKI Przykłady warunków brzegowych w powłokach przy wyboczeniu Wyboczenie powłok należy rozważać dla wszystkich kombinacji obciążeń, które wywołują naprężenia ściskające lub ścinające. Naprężenia krytyczne wyznacza się dla odcinków powłok pokazanych na rysunku i wymienionych w tablicy. Strona 24

25 W celu określenia wartości naprężeń wyboczeniowych i zweryfikowania stateczności powłoki należy: 1. Określić na podstawie analizy liniowej (LA) wartości naprężeń błonowych: σx,ed, σ θ, Ed i τxθ,ed od oddziaływań zewnętrznych; 2. Obliczyć wartości naprężeń krytycznych przy wyboczeniu sprężystym powłoki idealnej: σ x,rcr, σθ,rcr i τ xθ,rcr (według odpowiednich wyrażeń z załącznika D normy [EC3-1-6]); 3. wyznaczyć smukłości względne powiązane z poszczególnymi naprężeniami składowymi: λ x, λ θ, λ τ ; 4. Określić na podstawie załącznika D normy [EC3-1-6] pozostałe parametry mające wpływ na wartość redukcyjnych współczynników wyboczenia, takie jak.: graniczna smukłość względna λ 0, parametr imperfekcji α, mnożnik w formule interakcji przy wyboczeniu sprężysto-plastycznym β, wykładnik w formule interakcji przy wyboczeniu sprężystoplastycznym η; 5. Wyznaczyć redukcyjne współczynniki wyboczenia χ x, χ θ, χ τ i określić charakterystyczne wartości naprężeń wyboczeniowych σ x,rk, σ θ,rk i τ xθ,rk ; NOŚNOŚCI (NIESTATECZNOŚCI) POWŁOKI PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE PROCEDURA OBLICZENIOWA Strona 25

26 STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE PROJEKTOWANIE 6. Określić obliczeniowe wartości naprężeń wyboczeniowych: σx,rd, σθ,rd i τxθθ,rd, przy zastosowaniu częściowego współczynnika bezpieczeństwa γm1=1,10; 7. Przeprowadzić weryfikację stateczności poprzez porównanie wartości naprężeń błonowych od oddziaływań zewnętrznych z odpowiednimi wartościami obliczeniowymi naprężeń wyboczeniowych PN-EN (wzór 8.18): σ x,ed σ x,rd σθ,ed σθ,rd τ xθ,ed τ xθ,rd 8. W przypadku złożonego stanu naprężeń należy dodatkowo sprawdzić interakcyjny warunek stateczności: (wzór 8.19) NOŚNOŚCI (NIESTATECZNOŚCI) POWŁOKI PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE PROCEDURA OBLICZENIOWA Należy przy tym pamiętać, że w przypadku występowania naprężeń rozciągających przyjmuje się, że ich wartości we wzorze (8.19) są równe zeru. MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DO ĆWICZEŃ PROJEKTOWYCH KATEDRA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Strona 26

27 PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE SCHEMAT BLOKOWY DO WYZNACZANIA NAPRĘŻEŃ WYBOCZENIOWYCH POWŁOKI WALCOWEJ ŚCISKANEJ POŁUDNIKOWO Strona 27

28 W przypadku wymiarowania powłoki trzonu komina stalowego należy uwzględnić przede wszystkim ściskanie południkowe (bądź rozciąganie) ze zginaniem od porywów wiatru, czyli składową naprężenia sx (patrz rysunek) TRZONU KOMINA (PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE) Strona 28

29 PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE NAPRĘŻENIA W POWŁOKACH WEDŁUG TEORII BŁONOWEJ Strona 29

30 POWŁOKI WALCOWE ŚCISKANE OBWODOWO PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE SCHEMAT BLOKOWY DO WYZNACZANIA NAPRĘŻEŃ WYBOCZENIOWYCH POWŁOKI WALCOWEJ ŚCISKANEJ OBWODOWO (CIŚNIENIE WEWNĘTRZNE) Strona 30

31 PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE NAPRĘŻENIA W POWŁOKACH WEDŁUG TEORII BŁONOWEJ Strona 31

32 POWŁOKI WALCOWE ŚCISKANE OBWODOWO Strona 32

36 POWŁOKI WALCOWE ŚCISKANE OBWODOWO OBCIĄŻENIE WIATREM WALCA Strona 36

37 POWŁOKI WALCOWE ŚCISKANE OBWODOWO OBCIĄŻENIE WIATREM POBOCZNICY WALCA qp wartość szczytowa ciśnienia prędkości wiatru; qp = ce(z) qb,0 ce(z) współczynnik ekspozycji; qb,0 wartość charakterystyczna bazowa ciśnienia prędkości wiatru Strona 37

38 POWŁOKI WALCOWE ŚCISKANE POŁUDNIKOWO I OBWODOWO PODEJŚCIE NAPRĘŻENIOWE SCHEMAT BLOKOWY DO WYZNACZANIA NAPRĘŻEŃ WYBOCZENIOWYCH POWŁOKI WALCOWEJ ŚCISKANEJ POŁUDNIKOWO I OBWODOWO Strona 38

39 Imperfekcje e powłok Zalecane wartości parametru wgłębień Strona 39

40 Pomiar wgłębień poczatkowych Strona 40

41 Obciążenia działające na zbiornik Obciążenia stałe: ciężar własny płaszcza, dachu, osprzętu, dachu pływającego. Ciężar cieczy przechowywanej w zbiorniku ciśnienie hydrostatyczne; Ciężar śniegu na dachu; Obciążenie wiatrem dachu i płaszcza zbiornika; Nadciśnienie lub podciśnienie w zbiorniku Strona 41

42 Obciążenie wiatrem Rozkład ciśnienia aerodynamicznego na elementach zbiornika Strona 42

43 WALCOWEJ (PŁASZCZA) ZBIORNIKA PRZYKŁAD OBLICZENIOWY GEOMETRIA ZBIORNIKA ZESTAWIENIE OBCIĄŻEŃ KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ OKREŚLANIE NAPRĘŻEŃ Strona 43

44 STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE PROJEKTOWANIE BB WALCOWEJ (PŁASZCZA) ZBIORNIKA PRZYKŁAD OBLICZENIOWY PRZYKŁAD GEOMETRIA ZBIORNIKA ZESTAWIENIE OBCIĄŻEŃ KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ OKREŚLANIE NAPRĘŻEŃ MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DO ĆWICZEŃ PROJEKTOWYCH KATEDRA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Strona 44

51 WALCOWEJ (PŁASZCZA) ZBIORNIKA PRZYKŁAD OBLICZENIOWY GEOMETRIA ZBIORNIKA ZESTAWIENIE OBCIĄŻEŃ KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ OKREŚLANIE NAPRĘŻEŃ Pomyłka ma być τ Strona 51

52 WALCOWEJ (PŁASZCZA) ZBIORNIKA PRZYKŁAD OBLICZENIOWY GEOMETRIA ZBIORNIKA ZESTAWIENIE OBCIĄŻEŃ KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ OKREŚLANIE NAPRĘŻEŃ UWAGA! NOŚNOŚĆ OBLICZENIOWA DLA ALUMINIUM, A NALEŻY OKREŚLIĆ NOŚNOŚĆ (WYTRZYMAŁOŚĆ) DLA STALI Strona 52

53 STALOWE BUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWE PROJEKTOWANIE BB WALCOWEJ (PŁASZCZA) ZBIORNIKA PRZYKŁAD OBLICZENIOWY GEOMETRIA ZBIORNIKA GEOMETRIA ZESTAWIENIE OBCIĄŻEŃ KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ OKREŚLANIE NAPRĘŻEŃ MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DO ĆWICZEŃ PROJEKTOWYCH KATEDRA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Strona 53

54 WALCOWEJ (PŁASZCZA) ZBIORNIKA PRZYKŁAD OBLICZENIOWY GEOMETRIA ZBIORNIKA ZESTAWIENIE OBCIĄŻEŃ Według wyżej zamieszczonych algorytmów należy określić wytrzymałość powłoki (płaszcza) zbiornika z uwzględnieniem stateczności miejscowej przy ściskaniu południkowym, obwodowym (równoleżnikowym) i interakcje powyższych z uwzględnieniem ścinania złożony stan naprężeń. KOMBINACJE OBCIĄŻEŃ OKREŚLANIE NAPRĘŻEŃ Strona 54

55 UWAGA! Prezentowane materiały są utworami w rozumieniu prawa autorskiego i podlegają jego ochronie. Zabronione jest ich kopiowanie w całości lub we fragmencie - i dalsze rozpowszechnianie bez pisemnej zgody autora. Materiały te są udostępniane studentom nieodpłatnie i nie mogą być przedmiotem jakiejkolwiek działalności komercyjnej. MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADÓW NA PRAWACH RĘKOPISU, WYŁĄCZNIE DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Strona 55