Konstrukcje metalowe II Wykład II Konstrukcje powłokowe - zbironiki

Konstrukcje metalowe II Wykład II Konstrukcje powłokowe - zbironiki

Spis treści Elementy prętowe i powłokowe #t / 3 Normy #t / 9 Przykłady #t / 10 Niezawodność konstrukcji powłokowych #t / 29 Zbiorniki: wstępne wymiarowanie #t / 46 Wymagania techniczne #t / 93 Stany graniczne #t / 97 Dodatkowe zjawiska #t / 125 Zagadnienia egzaminacyjne #t / 131

Elementy prętowe i powłokowe Pręt: 10 max wymiar przekroju długość elementu Rys: Autor s 11 t 12 t 13 Geometria przekroju (A, A V, J y...) T s = t 21 s 22 t 23 t 31 t 32 s 33 N V 1 V 2 [kn] M 1 M 2 M T [knm]

Powłoka 10 grubość min długość w płaszczyźnie n 1 q 1 q 2 n 12 n 2 n 21 Rys: Autor m 12 m 1 m 2 m 21 T s = s 11 t 12 t 13 t 21 s 22 t 23 t 31 t 32 s 33 Grubość powłoki n 1 n 12 q 1 n 2 n 21 q 2 m 1 m 12 m 2 m 21 [kn / m] [knm / m]

Płyta Shell Płytotarcza Powłoka stan błonowy Powłoka stan giętny Tarcza Rys: Autor

Rys: EN 1993-1-6 fig. 1.1

EN 1993-1-6 (6.3), (6.4) s x, Ed = (n x, Ed / t) ± [m x, Ed / (t 2 / 4)] ; s q, Ed = (n q, Ed / t) ± [m q, Ed / (t 2 / 4)] t xq, Ed = (n xq, Ed / t) ± [m xq, Ed / (t 2 / 4)] ; t xn, Ed = (q xn, Ed / t) ; t qn, Ed = (q qn, Ed / t) Zależności między uogólnionymi siłami przekrojowymi a naprężeniami

Najprawdopodobniej na wykładach z Teorii płyt i powłok wzory te przedstawione były w odmiennej formie: s x, Ed = (n x, Ed / t) ± [m x, Ed / (t 2 / 6)] zamiast s x, Ed = (n x, Ed / t) ± [m x, Ed / (t 2 / 4)] ; s q, Ed = (n q, Ed / t) ± [m q, Ed / (t 2 / 6) zamiast s q, Ed = (n q, Ed / t) ± [m q, Ed / (t 2 / 4)]; t xq, Ed = (n xq, Ed / t) ± [m xq, Ed / (t 2 / 6)] zamiast t xq, Ed = (n xq, Ed / t) ± [m xq, Ed / (t 2 / 4)] Wynika to z różnicy w założeniach: współczynnik 1/6 przyjęty jest dla zakresu sprężystego; dla zakresu plastycznego jest to 1/4. Rys: Autor

Normy EN 1990 (niezawodność) EN 1991-1 + EN 1991-4 (obciążenia) EN 1993-3 EN 1993-4 (wytyczne ogólne dla konstrukcji powłokowych) EN 1993-1-6 EN 1993-1-7 (nośność i stateczność powłok) EN 1993-1-1 EN 1993-1-5 EN 1993-1-7 EN 1993-1-8 EN 1993-1-9 (obliczenia dodatkowe)

Przykłady Silosy EN 1993-4-1 Rys: wakro.com.pl

Silosy EN 1993-4-1 Rys: gpd24.pl

Rys: altimex.pl Silosy (zasobniki) EN 1993-4-1

Rurociągi (gaz / paliwo) EN 1993-4-3 Rys: wikipedia

Rurociągi (woda) EN 1993-4-3 Rys: iniekt-system.pl

Kominy EN 1993-3-2 Rys: carrasquilloassociates.com

Słupy elektroenergetyczne EN 50341-1 EN 1993-3-1 Rys: inzynieria.com

Wieże oświetleniowe EN 1993-3-1 Rys: ls-group.prom.ua

Wieże telekomunikacyjne EN 1993-3-1 Rys: towerproduct.com

Wieże turbin wiatrowych EIC 61 400 EN 1993-3-1 Rys: wikipedia

Pionowe zbiorniki cylindryczne z basenem awartyjnym EN 1993-4-2 EN 14 015 Rys: kbpomorze.pl

Pionowe zbiorniki cylindryczne bez basenu awaryjnego EN 1993-4-2 EN 14 015 Rys: sinkos.pl

Pionowe zbiorniki cylindryczne z dachem pływającym EN 14 015 Rys: ko.pwr.wroc.pl

Pionowe zbiorniki cylindryczne o sferycznych dnach PN B 03211 Rys: tanksandvessels.com

Poziome zbiorniki cylindryczne EN 12 285 Rys: petroconsulting.pl

Podziemne poziome zbiorniki cylindryczne EN 12 285 Rys: jaso.com.pl

Rys: wikipedia Kuliste zbiorniki na gaz PN B 03211

Wieże ciśnień PN B 03211 EN 1993-3-1 Rys: wikipedia

Galerie powłokowe EN 1993-1-1 EN 1993-1-5 EN 1993-1-6 Rys: mwconveyor.com Rys: tsman.com

Niezawodność konstrukcji powłokowych EN 1990 Podstawy projektowania konstrukcji Częściowe współczynniki bezpieczeństwa dla materiału i elementów γ M Częściowe współczynniki bezpieczeństwa dla oddziaływań γ F (γ Gi γ P γ Qi ) Współczynniki dla kombinacji obciążeń Ψ i Stany graniczne nośności EQU, STR, FAT i GEO Stan graniczny użytkowania Kombinacje obciążeń Σ (γ Gi G ki ) + γ P P k + Ψ 1 γ 1Q Q 1k + Σ (Ψ j γ jq Q jk ) Klasy konsekwencji Okres użytkowania

Klasy konsekwencji efekt zniszczenia konstrukcji I II III #1 / 6 Rys: wikipedia

Klasa Opis Przykład CC3 CC2 CC1 Wysokie zagrożenie ludzkiego życia lub bardzo duże konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe Przeciętne zagrożenie ludzkiego życia lub znaczne konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe Niskie zagrożenie ludzkiego życia lub małe lub nieznaczne konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe Widownie, budynki użyteczności publicznej, których konsekwencje zniszczenia są wysokie Budynki mieszkalne i biurowe oraz budynki użyteczności publicznej, których konsekwencje zniszczenia są przeciętne Budynki rolnicze w których ludzie zazwyczaj nie przebywają oraz szklarnie EN 1990 tab B1 #1 / 7

Konstrukcje powłokowe Konstrukcje powłokowe lub prętowe Odrębne przepisy dotyczące niezawodności (inne niż EN 1990) Przepisy odrębne, nieistotne w warunkach Polski 1993-3 Maszty, wieże, kominy: 1993-3-1 Maszty i wieże 1993-3-2 Kominy 1993-4 Silosy, zbiorniki, rurociągi: 1993-4-1 Silosy 1993-4-2 Zbiorniki 1993-4-3 Rurociągi

Maszty i wieże klasy niezawodności (RC) Klasa niezawodności RC3 RC2 RC1 Opis Maszty i wieże na terenach miejskich, lub w innych miejscach, gdy straty w ludziach wskutek ewentualnego zniszczenia są bardzo prawdopodobne; znaczące wieże i maszty telekomunikacyjne, których konsekwencje zniszczenia mogą być bardzo poważne. Wszystkie maszty i wieże nie zaliczone do RC1 i RC3 Maszty i wieże na mało zaludnionych otwartych terenach wiejskich, wieże i maszty w sytuacji gdy straty w ludziach wskutek ewentualnego zniszczenia są mało prawdopodobne. EN 1993-3-1 tab. A.1

Częściowe współczynniki bezpieczeństwa dla obciążeń stałych i zmiennych Efekt oddziaływań niekorzystny Klasa niezawodności Oddziaływania stałe EN 1993-3-1 tab. A.2 Oddziaływania zmienne RC3 1,2 1,6 RC2 1,1 1,4 RC1 1,0 1,2 korzystny RC1, RC2, RC3 1,0 0,0 Sytuacje wyjątkowe 1,0 1,0

Kominy klasa niezawodności (RC) Klasa niezawodności RC3 RC2 RC1 Opis Kominy w miejscach strategicznych, takich jak siłownie nuklearne lub gęsto zaludnione tereny miejskie; wysokie kominy na ternach tradycyjnie przemysłowych o bardzo dużych społecznych i ekonomicznych konsekwencjach zniszczenia. Wszystkie kominy nie zaliczone do RC1 i RC3 Kominy na otwartych terenach wiejskich, których zniszczenie nie powoduje szkód; kominy niższe niż 16 m na terenach mało zaludnionych. EN 1993-3-2 tab. A.1

Klasa niezawodności RC3 RC2 RC1 Amplituda drgań poprzecznych 0,05 D 0,10 D 0,15 D EN 1993-3-2 tab. 7.1 (D średnica komina)

Częściowe współczynniki bezpieczeństwa dla obciążeń stałych i zmiennych Efekt oddziaływań niekorzystny Klasa niezawodności Oddziaływania stałe EN 1993-3-2 tab. A.2 Oddziaływania zmienne RC3 1,2 1,6 RC2 1,1 1,4 RC1 1,0 1,2 korzystny RC1, RC2, RC3 1,0 0,0 Sytuacje wyjątkowe 1,0 1,0

Zbiorniki klasy konsekwencji (CC) Klasa konsekwencji CC3 CC2 CC1 Opis Zbiorniki na ciecze i gazy płynne toksyczne lub wybuchowe; zbiorniki o dużej pojemności na ciecze palne lub szkodliwe dla środowiska wodnego w terenie zabudowanym Zbiorniki o średniej pojemności na ciecze palne lub szkodliwe dla środowiska wodnego w terenie zabudowanym Zbiorniki dla rolnictwa i zbiorniki na wodę EN 1993-4-2 2.2

Klasa konsekwencji Powłoka cylindryczna Powłoka prostopadłościenna CC3 + analiza numeryczna (MES) Nieliniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania CC2 CC1 + teoria membranowa z teorią zgięciową lub + analiza numeryczna (MES) + teoria membranowa oraz + uproszczone formuły dla wyznaczenia lokalnego zginania Liniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania lub Nieliniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania Równowaga statyczna sił błonowych i belkowa teoria zginania EN 1993-4-2 4.2.2 4.3.3

Silosy klasy konsekwencji (CC) i klasy oceny oddziaływań (AAC) Klasa konsekwencji CC3 CC2 CC1 Opis Silosy o pojemności 5 000 ton, posadowione bezpośrednio na gruncie lub silosy z fartuchem sięgającym poziomu gruntu lub Silosy podparte punktowo o pojemności przekraczającej 1 000 ton lub Silosy o pojemności przekraczającej 200 ton w sytuacjach jak poniżej: a) opróżnianie niecentryczne b) lokalne obciążenie odcinkowe b) napełnianie niecentryczne Wszystkie silosy objęte EN 1993-4-1 nie należące do CC1 lub CC3 Silosy o pojemności między 10 a 100 ton EN 1993-4-1 tab 2.1

Klasa oceny oddziaływań AAC3 AAC2 AAC1 Opis Silosy o pojemności powyżej 10 000 ton lub Silosy o pojemności powyżej 1 000 ton w sytuacjach jak poniżej: a) niecentryczne opróżnianie e 0 / d c > 0,25 b) silosy niskie o mimośrodzie górnego stożka nasypu e t / d c > 0,25 Wszystkie silosy objęte EN 1993-4-1 nie należące do AAC1 lub AAC3 Silosy o pojemności poniżej 100 ton EN 1991-4 tab 2.1

Klasa konsekwencji Powłoka cylindryczna EN 1993-4-1 4.2.2 4.3.3 Powłoka prostopadłościenna CC3 + analiza numeryczna (MES) Nieliniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania CC2 CC1 + teoria membranowa z teorią zgięciową lub + analiza numeryczna (MES) + teoria membranowa oraz + uproszczone formuły dla wyznaczenia lokalnego zginania Liniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania lub Nieliniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania Równowaga statyczna sił błonowych i belkowa teoria zginania Dodatkowo dla różnych CC przyjmuje się różne wartości imperfekcji zastępczych (parametr jakości CC, EN 1993-4-1 tab. 5.1)

Klasy oceny oddziaływań AAC Im wyższy numer klasy, tym większe wartości obciążeń bierze się pod uwagę i tym bardziej skomplikowane schematy obciążeń lokalnych należy uwzględnić.

Rurociągi klasy ważności (IC) Klasa ważności IC4 IC3 IC2 IC1 Opis Wyjątkowe zagrożenie ludzkiego życia lub wyjątkowe konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe (~ CC3 według EN 1990) Wysokie zagrożenie ludzkiego życia lub wysokie konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe (~ CC3 według EN 1990) Przeciętne zagrożenie ludzkiego życia lub przeciętne konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe (~ CC2 według EN 1990) Niskie zagrożenie ludzkiego życia lub małe lub nieznaczne konsekwencje społeczne, ekonomiczne i środowiskowe (~ CC1 według EN 1990) EN 1998-4 2.1.4 Reguły ważne dla trzęsień ziemi (poza Polską)

Klasa ważności Współczynniki bezpieczeństwa przy oddziaływaniach sejsmicznych IC4 g I = 1,6 IC3 g I = 1,2 IC2 g I = 1,0 IC1 g I = 0,8 EN 1998-4 2.1.4 Te same zasady dotyczą zbiorników i silosów przy obciążeniach sejsmicznych;

Zbiorniki: wstępne wymiarowanie EN 1993-4-2 EN 14 015 PN B 03211 Rys: sinkos.pl Rys: kbpomorze.pl Rys: ko.pwr.wroc.pl

Podstawową normą dla zbiorników jest EN 1993-4-2. Norma EN 14 015 jest przywoływana w EN 1993-4-2 jako norma uzupełniająca. Stara Polska Norma PN B 03211 może być traktowana jako pomoc przy wstępnym przyjmowaniu geometrii. Wszystkie te trzy normy oparte są na odmiennych założeniach. Norma Metoda f k Współczynniki bezpieczeństwa EN 1993-4-2 Metoda stanów granicznych 2% Dwa odrębne: dla obciążeń i dla materiału, liczony w odniesieniu do kwantyli EN 14 015 Metoda naprężeń dopuszczalnych 5% Tylko jeden, dla proporcji między efektem obciążeń i nośnością PN B 03211 Metoda stanów granicznych 5% Dwa odrębne: dla obciążeń i dla materiału, liczony w odniesieniu do kwantyli Z każdą metodą obliczeń związane są inne normy obciążeń. Obliczenia prowadzone według EN 14 015, prowadzone przy użyciu obciążeń i współczynników podawanych w Eurokodach, dadzą zawyżone grubości powłoki zbiornika. Przywołanie normy EN 14 015 w Eurokodach jest niekonsekwencją.

Klasa konsekwencji Powłoka cylindryczna Powłoka prostopadłościenna CC3 + analiza numeryczna (MES) Nieliniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania CC2 CC1 + teoria membranowa z teorią zgięciową lub + analiza numeryczna (MES) + teoria membranowa oraz + uproszczone formuły dla wyznaczenia lokalnego zginania Liniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania lub Nieliniowa analiza płyt zginanych i błonowa teoria rozciągania Równowaga statyczna sił błonowych i belkowa teoria zginania EN 1993-4-2 4.2.2 4.3.3 #t / 39

CC1, możliwe sposoby obliczeń: Wzory według EN 1993-1-6 dodatek A, B, C Wzory według EN 1993-4-2 i EN 14 015 MES Wzory według EN 1993-4-2 i 14 015 jako wstępne założenia dla MES

CC2, możliwe sposoby obliczeń: Wzory według EN 1993-1-6 dodatek A, B, C Wzory według EN 1993-4-2 i EN 14 015 MES Wzory według EN 1993-4-2 i 14 015 jako wstępne założenia dla MES

CC3, możliwe sposoby obliczeń: MES Wzory według EN 1993-4-2 i 14 015 jako wstępne założenia dla MES

EN 1991-1 + EN 1991-4 (obciążenia) EN 1993-4-2 Wytyczne ogólne EN 1993-4-2 EN 14 015 Wzory uproszczone MES Projekt obliczeniowy EN 1993-1-6 Rys: Autor EN 1993-1-1 EN 1993-1-5 EN 1993-1-7 EN 1993-1-8 EN 1993-1-9 (obliczenia dodatkowe)

Wzory uproszczone można stosować, gdy (EN 1993-4-2 11): konstrukcja zbiornika ma formę przedstawioną na rysunku poniżej; jedynymi oddziaływaniami wewnątrz zbiornika są ciśnienie cieczy oraz ciśnienie gazu nad lustrem cieczy; maksymalny obliczeniowy poziom cieczy nie przewyższa górnego brzegu walcowego płaszcza; nie jest wymagane uwzględnianie następujących oddziaływań: termicznych, sejsmicznych i wyjątkowych ani oddziaływań spowodowanych nierównomiernym osiadaniem fundamentów i podatnością połączeń; z wyjątkiem pasa przy pierścieniu okapowym grubość każdego pasa nie jest mniejsza niż grubość pasa nadbudowanego; wartość obliczeniowa naprężeń obwodowych w płaszczu zbiornika nie przekracza 435 N/mm 2 ; w przypadku dachu sferycznego jego promień krzywizny wynosi od 0,8 do 1,5-krotnej średnicy zbiornika; w przypadku dachu stożkowego jego spadek wynosi od 1:5 przy podparciu obwodowym do 1:3 przy braku podpór wewnętrznych; nominalne nachylenie dna zbiornika nie przekracza 1:100; dno jest podparte na całej powierzchni lub na gęsto rozmieszczonych równoległych dźwigarach; charakterystyczne ciśnienie wewnętrzne jest nie mniejsze niż 8,5 mbar i nie przekracza 60 mbar; przewidywana liczba cykli obciążeń jest wystarczająco mała, aby nie zachodziło ryzyko zniszczenia zmęczeniowego. Rys: Autor

Obciążenia istotne dla nośności zbiornika Rys: przelom.pl Rys: Autor Obciążenia istotne dla stateczności zbiornika Rys: journalism.columbia.edu Rys: Autor

Zalecane wymiary zbiornika PN B 3210 tab. 2 p d 2 h / 4 1,05 V

Obliczenia uproszczone: Dach #t / 57-61 Pierścień brzegowy #t / 62-68 Powłoka cylindryczna #t / 69-83 Włazy, króćce #t / 84, 85 Dno #t / 86-89 Stateczność globalna #t / 90 Fundamenty #t / 91, 92

Dach Nośność: Dwa dachy, stały i pływający #t / 58 Dach pływający #t / 58 Samonośna powłoka sferyczna #t / 59 Samonośna powłoka stożkowa #t / 60 Powłoka szkieletowa #t / 60 Stateczność: Samonośna powłoka sferyczna #t / 61

Dach stały i pływający EN 14 015 załącznik C Tylko dach pływający EN 14 015 załącznik D Rys: Autor Rys: Autor

Samonośna powłoka sferyczna Nośność dachu p 0,Ed r 1 / (2 j f y,d ) t EN 1993-4-2 (11.2) EN 14 015 (12) t 5 mm EN 1993-4-2 11.2.2.(1) EN 14 015 10.3.3, 10.3.4 p 0,Ed = max ssanie wiatru i nadciśnienie j współczynnik efektywności złącza spawanego Spoiny czołowe Obustronnie spawane styki zakładkowe EN 1993-4-2 11.2.1 1,0 0,5 Rys: boerger.com Jednostronnie spawane styki zakładkowe EN 14 015 10.3.6 1,0 0,5 0,35

Samonośna powłoka stożkowa p 0,Ed r c / (j f y,d ) t EN 1993-4-2 (11.3) r c = r sin a Rys: cstindustries.com Powłoka szkieletowa EN 1993-4-2 11.2.2, 11.2.3, 11.2.4 Pokrycie dachu Krokwie Pierścień zwornikowy Stężenia Słupy podpierające Rys: artson.net

Stateczność powłoki dachu Samonośna powłoka sferyczna 4 r 1 (p i,,ed / E) t EN 1993-4-2 (11.4) EN 14 015 (14) p i,ed = ciężar własny dachu + śnieg + podciśnienie + max parcie wiatru na dach

Pierścień brzegowy Nośność #t / 63 Stateczność #t / 66 Interakcja z krokwiami #t / 67 Zbiornik z dachem pływającym #t / 68

Pierścień brzegowy - nośność Efektywne pole przekroju A eff Rys: EN 1993-4-2 fig. 11.4, EN 14 015 fig. 8

N Ed / (A eff f y,d ) 1,0 Może być potrzebny dodatkowy L dla zwiększenia A eff EN 1993-4-2 (11.17) N Ed = p v,ed r 2 / (2 tg a) EN 1993-4-2 (11.18) p v,ed = max (ciężar własny dachu + śnieg + podciśnienie + max parcie wiatru na dach ; max ssanie wiatru na dachu + nadciśnienie)

Zalecane wymiary L: Średnica zbiornika [m] Minimalny L D 10 60 x 60 x 6 10 < D 20 60 x 60 x 8 20 < D 36 80 x 80 x 10 36 < D 48 100 x 100 x 12 48 < D 150 x 150 x 12 EN 14 015 tab. 18

Pierścień brzegowy - stateczność EN 1993-4-2 11.2.5 Jeśli odległość między krokwiami L R nie przekracza 3,25 m, nie ma potrzeby osobnego sprawdzania stateczności Gdy przekracza - brak specyficznych wymogów w EN 1993-4-2 EN 14015 (15) A eff p v,ed r 2 / (2 f c tg a) f c = 120 MPa p v,ed = ciężar własny dachu + śnieg + podciśnienie + max parcie wiatru na dach

Pierścień brzegowy interakcja z krokwiami EN 1993-4-2 11.2.5 Jeżeli odległość między krokwiami L R nie przekracza 3,25 m, momenty zginające pierścień brzegowy mogą być pominięte. W przeciwnym wypadku należy je wziąć pod uwagę: Moment zginający pierścień w miejscu połączenia z krokwią: Rys: Autor M s, Ed = -[ (p v, Ed r 3 ) / (2 tg a) ] / [1 - ( b / tg b ) ] W połowie odległości między krokwiami: b M F, Ed = -[ (p v, Ed r 3 ) / (2 tg a) ] / [ ( b / sin b ) - 1 ] L R

Dla dachu pływającego: EN 14015 (7) W pionowa, eff 0,058 D 2 H (V / V R ) 2 V R = 45 m/s Rys: EN 14015 fig J1

Powłoka cylindryczna Nośność #t / 70 Stateczność #t / 77 Pierścienie pośrednie #t / 81

Nośność powłoki Średnica zbiornika [m] Zalecania minimalna grubość płaszcza t min [mm] Stal węglowa i węglowomanganowa Stal nierdzewna D < 4 5 2 4 D < 10 5 3 10 D < 15 5 4 15 D < 30 6 5 30 D < 45 8 6 45 D < 60 8-60 D < 90 10-90 D 12 - EN 14 015 tab. 16

Faza I: próba wodna (test szczelności; czasami trzeba doszczelnić zbiornik) Obciążenie: parcie wody Czas trwania: 1 tydzień 1 miesiąc Faza II: eksploatacja Obciążenie: parcie paliwa, nadciśnienie, korozja Czas trwania: wiele lat (zazwyczaj przyjmuje się 50)

Jest możliwe, że po wzniesieniu zbiornik nie jest całkiem szczelny. Hermetyczność musi być sprawdzona przed rozpoczęciem eksploatacji. Robi się to próbą wodną; straty związane z ewentualnym wyciekiem wody są nieporównywalnie mniejsze niż w przypadku wycieku paliwa. Rys: Rys.tepco.co.jp Gęstość wody (zatem i wartość ciśnienia hydrostatycznego) jest inna niż paliwa (zazwyczaj mniejsza). Próba wodna trwa zbyt krótko, by pojawiły się ubytki korozyjne. W próbie wodnej nie ma potrzeby analizować nadcisnienia. Rys: Rys.tepco.co.jp

Faza I: t I r g F r H2O g (H j - D) / f y,d Faza II: EN 1993-4-2 (11.21) t II r [g F r fuel g (H j - D) + p over ] / f y,d + t korozja D = 0,30 m

Faza I: t I r g F r H2O g (H j - D) / (g I f y,d ) EN 14 015 (3), (4) Faza II: t II r [g F r fuel g (H j - D) + p over ] / (g II f y,d ) + t corrosion D = 0,30 m g I = 3/4 g II = 2/3

t I = max [t I (EN 1993-4-2) ; t I (EN 14 015)] t II = max [t II (EN 1993-4-2) ; t II (EN 14 015)] t = max (t min ; t I ; t II ) Rys: Autor

Stateczność powłoki cylindrycznej, sprawdzenie zakresu stosowania wzorów uproszczonych EN 1993-4-2 11.3.2 (10) Metoda uproszczona może być zastosowana, gdy: r / t 200 oraz f y 1,15 E (r / l) (t / r) 1,5 l = min (H E ; H P ) W przeciwnym wypadku należy użyć MES

Stateczność powłoki cylindrycznej H E część powłoki narażonej na wyboczenie H P samostateczna część powłoki H E = S h i (t min / t i ) 2,5 EN 1993-4-2 (11.24) t min = min (t i ) EN 14 015 (8), (9) H E > H P potrzebne są dodatkowe pierścienie pośrednie, równo rozmieszczone na wysokości H P

H P = min (EN 1993-4-2 ; EN 14 015) H P = [A / (5,70 q wind + 5,80 p under )] [t min5 / (2 r) 3 ] EN 14 015 (10), (11) A = 3 004 GPa q wind = r air V b2 / 2 H P = 0,46 (E / p Ed ) (t min / r) 2,5 r K EN 1993-4-2 (11.25) K, p Ed #t / 79

Rys: Autor p Ed = p under + q Ed K = {1-2,67 [s x,ed / E] [r / t] [1 + (r / t) 0,72 / 54] 1,25 } 0,8 EN 1993-4-2 (11.27) s x,ed = ciężar własny górnej części konstrukcji + śnieg + podciśnienie + max parcie wiatru na dach q Ed #t / 80

Rys: EN 1993-4-2 fig. 11.5 q Ed = q Ed max / C w C w = max (1,0 ; 2,2 / {1 + 0,1 [ 0,6 r / h (r / t min )]} )

Usztywniające pierścienie pośrednie EN 1993-4-2 11.3.2 (12), (13), (14) H E > H P potrzebne są dodatkowe pierścienie pośrednie, równo rozmieszczone na wysokości H P Pierścienie pośrednie stosujemy nie bliżej niż 150 mm od spoin obwodowych płaszcza. Jeśli grubość płaszcza pod pierścieniem jest większa, niż minimalna t min ( #t / 70), odległość między pierścieniami drugorzędnymi należy przeliczyć: H lower, adj = H tmin + (H lower - H min ) (t / t min ) 2,5 H tmin = H (t min ) H lower = odległość pierwotna

EN 14015 tab 17 zalecane rodzaje L stosowanych na pierścienie pośrednie Średnica zbiornika D [m] 20 20-36 36-48 > 48 Minimalne wymiary [mm x mm x mm] 100 x 65 x 8 120 x 80 x 10 150 x 90 x 10 200 x 100 x 12 Można zastosować inne rodzaje kształtowników, pod warunkiem że mają nie mniejsze charakterystyki geometryczne

Powłoka cylindryczna, sztywność pierścieni drugorzędnych EN 1993-4-2 11.3.2 (15) Jeśli nie prowadzi się dokładnej analizy powłoki według EN 1993-1-6, pierścienie powinny spełniać następujące wymagania: J R,j 2 N Rj, Ed r 2 / (E m b2 ) N Rj, Ed = p j, Ed r (a j-1 - a j ) / 2 m b = CECHA [1,79 {[r / [H 4 [r 2 min (a j t j ) / (max (J R,j )) ]]}] p j, Ed = podciśnienie + parcie wiatru na pierścień #j a j-1 Następny pierścień r t j = średnia grubość z odcinka a j min (a j t j ) = min z części H a j Pierścień #j Następny pierścień H Rys: Autor

Rys: dystrybutory-paliw.pl Włazy króćce EN 1993-4-2 5.4.6 EN 14015 13.1 13.9 Powłoka musi być lokalnie grubsza Rys: formoplast.com

Trzy metody wzmocnienia płaszcza: Przewymiarowany przekrój króćca / pierścienia włazu; Wzmocnienie lokalne (1,5 d d n 2,0 d); Grubszy panel płaszcza; d d n Rys: Autor

Dno Rys: Autor PN B 3210 tab. 7

t t min + t corrosion EN 1993-4-2 tab. 11.1, EN 14 015 tab. 13 PN B 3210 tab. 5

t a = max ( t c / 3 + 3 mm + t corrosion ; 6 mm) EN 1993-4-2 (11.37) t c = t s - t corrosion EN 14 015 (1) w a max { 1,5 [f y t a2 / (r g H max )] ; 500 mm} EN 1993-4-2 (11.38) r = max (r H2O ; r fuel ) w a > max [t a ( A / H max ) ; 500 mm] EN 14 015 (2) A = 57 600 m

w a max (EN 1993-4-2 ; EN 14 015) 50 mm w e 100 mm EN 14 015 8.3.2

Stateczność globalna EN 1993-4-2 11.5 Zbiornik nie może być uniesiony, przesunięty ani obrócony. Pod uwagę bierzemy ciężar własny pustego zbiornika, nadciśnienie, parcie wiatru na cylinder i ssanie wiatru na dachu. W wypadkowa parcia na cylinder S wypadkowa ssania na dachu G k ciężar własny pustego zbiornika (wartość charakterystyczna) O - nadciśnienie F k - tarcie (wartość charakterystyczna) Rys: Autor Wymagania: 0 Brak unoszenia: O + S < G k Brak przesuwu: W < F k Brak obrotu wokół punktu 0: W y + S x + O r < G k r O = p r 2 p over F k = (G k - S - O) m m = 0,3

Fundament Warunki gruntowe: Bardzo dobre (grunt niespoisty nośny); wymiana gleby na poduszkę piaskową (+/- 30 cm) Dobre (spoisty nośny); poduszka piaskowa do głębokości przemarzania (+/- 120 cm) Złe (spoisty nienośny, niespoisty nienośny); pierścień żelbetowy pod płaszczem oraz poduszka piaskowa do głębokości przemarzania (+/- 120 cm) Rys: Autor Bardzo złe (nasypy, torfy); poduszka piaskowa, płyta żelbetowa, pale

Warunki gruntowe Bardzo dobre Dobre Złe Bardzo złe Spełnione warunki stateczności globalnej Poduszka piaskowa ~ 30 cm Poduszka piaskowa ~ 120 cm Pierścień żelbetowy Fundament Płyta żelbetowa i pale Niespełnione warunki stateczności globalnej Pierścień żelbetowy

Rys: Autor Wymogi techniczne Panele pokrycia dachu spawane są do siebie nawzajem, ale nie do krokwi. Tylko zewnętrzny pierścień spawany jest do krokwi. Przy obciążeniu ciężarem własnym, śniegiem, parciem wiatru i podciśnieniem, panele opierają się na krokwiach.. Brak jest współpracy między krokwiami a panelami przy nadciśnieniu i ssaniu wiatru. Dzięki temu w razie awarii (duże nadciśnienie) dach zostaje łatwo rozszczelniony, bez uszkodzenia pozostałej części konstrukcji.

Rys: Autor Dzięki przyspawaniu paneli ostatniego pierścienia do krokwi i pierścienia brzegowego, siła osiowa z krokwi jest łagodniej rozprowadzana po pierścieniu brzegowym. Dzięki temu unika się koncentracji naprężeń w miejscu łączenia krokwi z pierścieniem.

Rys: Autor Wewnętrzna powierzchnia płaszcza powinna być gładka. Półki związane ze wzrastającą grubością paneli płaszcza powinny znajdować się na zewnątrz. Unika się gromadzenia zanieczyszczeń na półkach wewnątrz zbiornika; pod warstwami zanieczyszczeń łatwo rozwija się korozja.

Rys: Autor Z tego samego powodu zakładki paneli dna powinny układać się w spadku ku obwodowi.

Stany graniczne Analiza wyników MES: EN 1993-1-6 EN 1993-1-7 Zniszczenie plastyczne (LS1) Nieprzystosowanie plastyczne (zmęczenie niskocyklowe) (LS2) Niestateczność (LS3) Zmęczenie (wysokocyklowe) (LS4) Stan graniczny użytkowania

Zniszczenie plastyczne (EN 1993-1-6 6) s x, Ed = (n x, Ed / t) E[m x, Ed / (t 2 / 4)] ; s q, Ed = (n q, Ed / t) E[m q, Ed / (t 2 / 4)] t xq, Ed = (n xq, Ed / t) E[m xq, Ed / (t 2 / 4)] ; t xn, Ed = (q xn, Ed / t) ; t qn, Ed = (q qn, Ed / t) s eq,ed = [s 12 + s 22 - s 1 s 2 + 3(t 122 + t 132 + t 232 )] f eq,rd = f yd

Warunek dla powłoki: s eq,ed / f eq,rd 1,0 Jest tu pełna analogia z warunkami N Ed / N Rd 1,0 lub M Ed / M Rd 1,0 dla pręta.

Nieprzystosowanie plastyczne (EN 1993-1-6 7) Ds eq,ed,i = [Ds 1,i2 + Ds 2,i2 - Ds 1,i Ds 2,i + 3Dt 12,i2 ] Df eq,rd,i = 2f yd Ds 1,i = s 1i,T + s 1i,C Dt 1,i = t 1i,T + t 1i,C

Tu brak jest analogii do obliczeń elementów prętowych Rys: Autor Przykładem może być zabawa w zginanie spinacza

Naprężenia pochodzą z dwu kombinacji obciążeń: R S, R kombinacje dla max ściskania i rozciągania LS1 (R) LS2 ( R + S ) Rys: Autor LS1 (S) S LS1 (R) - LS1 dla kombinacji R; naprężenie zastępcze nie większe niż f y LS1 (S) - LS1 dla kombinacji S; naprężenie zastępcze nie większe niż f y LS2 ( R + CS) LS2 dla zmiany R-S; naprężenie zastępcze nie większe niż 2f y Czy LS2 (R + S) = LS1 (R) + LS1 (S) czy też niet?

s eq,ed,r = [s 1R2 + s 2R2 - s 1R s 2R + 3(t 12R2 + t 13R2 + t 23R2 )] f yd s eq,ed,s = [s 1S2 + s 2S2 - s 1S s 2S + 3(t 12S2 + t 13S2 + t 23S2 )] f yd (LS1) (LS1) Ds eq,ed,i = [Ds 1,i2 + Ds 2,i2 - Ds 1,i Ds 2,i + 3Dt 12,i2 ] 2f yd (LS2) Ds a,i = s ai,r + s ai,s Dt ai = t ai,r + t ai,s

s eq,ed,r = [s 1R2 + 3(t 12R2 )] f yd s eq,ed,s = [s 1S2 + 3(t 12S2 )] f yd Ds eq,ed,i = [Ds 1,i2 + 3Dt 12,i2 ] 2f yd Ds a,i = s ai,r + s ai,s Dt ai = t ai,r + t ai,s (Ds eq,ed ) 2 = [Ds 12 + 3Dt 122 ] 4f 2 yd Ds 12 + 3Dt 122 = ( s 1R + s 1S ) 2 + 3( t 1R + t 1S ) 2 = = s 1R2 + 2 s 1R s 1S + s 1S2 + 3(t 1R2 + 2 t 1R t 1S + t 1S2 ) = = s 1R2 + 3(t 12R2 ) + s 1S2 + 3(t 12S2 ) + 2( s 1R s 1S + 3 t 1R t 1S ) f yd2 + f yd2 + 2f 2 yd [LS2 (R + S)] 2 4 f Cd 2 [LS2 (R + S)] 2 = [LS1 (R)] 2 + [LS1 (S)] 2 + D f yd2 + f yd2 + 2f yd 2

Warunek LS2 2 (warunek LS1): LS2 = LS1 R + LS1 S +/- D

Niestateczność (EN 1993-1-6 8) Analogia stateczność interakcyjna elementu prętowego: EN 1993-1-1 6.3.3 N Ed / (c i N Rd ) + k yi M yed / (c LT M yrd ) + k zi M zed / M zrd 1,0 i = y, z N Ed, M yed, M zed efekty obciążenia N Rd, M yrd, M zrd nosności c y, c z, c LT współczynniki wyboczeniowe; c gh = c gh (smukłość, imperfekcje) k yy, k yz, k yy, k zz współczynniki interakcji; k ij = k ij (c gh R rd ),

EN 1993-1-6 8: (s x,ed / s x,rd ) kx - k i (s x,ed / s x,rd ) (s q,ed / s q,rd ) + (s q,ed / s q,rd ) kq + (t xq,ed / t xq,rd ) kt 1,0 s x,ed, s q,ed, t xe,rd efekty obciążenia s x,rd, s q,rd, t xq,rd - nośności c f współczynniki wyboczeniowe; c f = c f (smukłość, imperfekcje) k x, k q, k t, k i współczynniki interakcji; k f = k f (c f ),

s x,rd = c x f yk / g M1 s q,rd = c q f yk / g M1 t xq,rd = c t f yk / (g M1 3) współczynniki wyboczeniowe i interakcji 1993-1-6, 8.5.2, 8.5.3, załącznik D

Współczynniki wyboczeniowe c f zalezą od bezwymiarowej smukłości powłoki: w = L / (r t) Rys: EN 1993-1-6 fig. D1 w rośnie c f maleje nośność dla LS3 maleje

Imperfekcje są bardzo ważne dla LS3 Rys: EN 1993-1-6 fig. 8.4

EN 1993-1-6 8.7.2 Imperfekcje przyjmuje w postaci zastępczych odkształceń powłoki. Kształt przyjmuje się w nawiązaniu do postaci wyboczenia owalizującego. Nie jest jasno sprecyzowane, jakie są wartości imperfekcji. Podczas analizy można oprzeć się na EN 14015 rozdział 16 (dopuszczalne wartości imperfekcji podczas budowy zbiorników). Rys: Autor

Zmęczenie LS4 (EN 1993-1-6 9) g Ff Ds E / (s R / g Mf ) 1,0 g Ff Dt E / (t R / g Mf ) 1,0 Identyczne zasady obowiązują dla konstrukcji prętowych (np. estakad podsuwnicowych)

Rys: EN 1991-1-9 fig.7.1 Nośność zależy od ilości cykli obciążenia N R EN 1991-1-9 7.1 (2) Ds R = Ds C m (2 10 6 / N R ) Dt R = Dt C m (2 10 6 / N R ) m = 3 dla N R = 100 000-5 000 000 m = 5 dla N R = 5 000 000-100 000 000 Ds R, Dt R stałe dla N R > 100 000 000

Ds C, Dt C wartości podstawowe nośności; zalezą od rodzaju karbu EN 1993-1-9 tab. 8.1-8.10 dla elementów prętowych

EN 1993-3-2 tab. C1 dla elementów powłokowych (także rodzaj karbu)

Wokół karbów dochodzi do koncentracji naprężeń Rys: Autor s Ed f y lecz m s Ed f y m współczynnik koncentracji naprężeń s Ed naprężenie dla przekroju idealnego Duża wartość naprężenia przy granicy karbu powoduje lokalne zniszczenie materiału i rozrastanie się karbu

Przy wielu cyklach obciążeń uszkodzenie powiększa się aż do całkowitego rozerwania elementu. Nośność zmęczeniowa jest bardzo ważna dla wszystkich konstrukcji narażonych na obciążenia cykliczne i dynamiczne. Rys: Autor

Obliczenia prowadzone są jak dla przekroju idealnego: m s Ed f y s Ed f y / m Ds E s R / (g Mf g Ff ) g Ff Ds E / (s R / g Mf ) 1,0 Dla LS4 obliczenia prowadzi się dla wartości charakterystycznych obciążenia

LS2 zmęczenie niskocykowe ( < 100 000); bierze się pod uwagę zwykłą nośność materiału LS4 zniszczenie wysokocyklowe ( > 100 000); bierze się pod uwagę nośność zmęczeniową materiału

Stan graniczy użytkowania EN 1993-4-2 2.9.3, 9.4

Analiza sprężysta i plastyczna Analiza Klasy przekroju Zależność odkształcenienaprężenie Sprężysta I, II, III, IV Plastyczna I Różne wzory na nośność dla obu rodzajów analizy. Rys: Autor Lec #1 / 15

Dla konstrukcji prętowych istnieją dwa typy analizy, sprężysta i plastyczna. Dla powłok istnieje siedem typów analiy.

Metoda analizy odkształcenia s e imperfekcje Liniowa analiza sprężysta (LA) Małe Liniowa Nie Liniowo sprężysta analiza bifurkacyjna (LBA) Małe Liniowa Nie Geometrycznie nieliniowa analiza sprężysta (GNA) Duże Liniowa Nie Analiza fizycznie nieliniowa (MNA) Małe Nonlinear Nie Analiza fizycznie i geometrycznie nieliniowa (GMNA) Geometrycznie nieliniowa analiza sprężysta z imperfekcjami (GNIA) Analiza fizycznie i geometrycznie nieliniowa z imperfekcjami (GMNIA) Duże Nieliniowa Nie Duże Liniowa Tak Duże Nieliniowa Tak EN 1993-1-6 1.3.5

Spośród wielu dopuszczalnych metod MES, tylko jedna jest uniwersalna (liniowa analiza sprężysta): Metoda analizy LS1 LS2 LS3 LS4 LA + + + + LBA + GNA + (+) + MNA + + + GMNA + + (+) GNIA (+) GMNIA + + dopuszczalna (+) warunkowo dopuszczalna EN 1993-1-6 1.3.5

Dodatkowe zjawiska Gatunek stali S 235 RJ S 235 stal, f y = 235 MPa RJ stopień odporności na udar Udarność = zdolność to zaabsorbowania energii bez zniszczenia materiału. Udarność jest badana młotem Charpy ego.

Kształt próbki (karb U lub V) Młot Charpy ego Rys: wikipedia Rys: ccsi-inc.com

Energia w pozycji startowej: G h Energia w pozycji końcowej: G h Energia zaabsorbowana przez próbkę z karbem U lub V: KCU (KCV) = G (h - h) [J] Rys: cliffstamp.com Rys: Autor

Rys: Konstrukcje stalowe, K. Rykaluk, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne Wrocław 2001 Dla niektórych gatunków stali istnieje ryzyko zniszczenia w niskiej temperaturze nawet przy stosunkowo małym obciążeniu

Rys: acellent.com Udarność jest bardzo ważna dla konstrukcji, narażonych na niskie temperatury. Rys: journalism.columbia.edu

Korozja agresja chemiczna związków zawartych w cieczach i gazach; zachodzi w zbiornikach i rurociągach Erozja ścierane przez materiał stały w silosach Naddatek korozyjny: Rys: Autor X [mm / rok] Y [rok] = XY [mm]

Zagadnienai egzaminacyjne Znaczenie klas konsekwencji dla zbiorników Zależność między wysokością a grubością powłoki zbiornika Stany graniczne dla zbiorników Typy analizy w przypadku zbiorników

Dziękuję za uwagę 2017 dr inż. Tomasz Michałowski tmichal@usk.pk.edu.pl