Đề cương Kết cấu thép bản (tham khảo)

Bề dày đáy bể lấy theo cấu tạo của liên kết hàn và yêu cầu chống ăn mòn (do lực tác dụng vào đáy bể không đáng kể). Đường kính đáy bể lớn hơn đường kính thân bể khoảng 10 cm.. b) Thân [r]

2 1

p

rdS r dS

Thay giá trị N1, N2 ở trên vào phương trình ta được phương trình cân bằng Laplaxo

p

Câu 3: Thiết lập phương trình cân bằng laplaxo trong tính toán các loại vỏ cầu, vỏ trụ,

vỏ nón

Phương trình cân bằng Laplaxo:

p

 Vỏ cầu: r1 = r2 = r và φ1 = φ2 = φ

2

2

 Vỏ trụ: r1 = ∞

2

2 pr t

 Vỏ nón: r1 = ∞

Ứng suất theo phương kinh tuyến: 1

2 cosi

pr t





 Ứng suất theo phương vòng: 2

cosi

pr t







Câu 4: phạm vi sử dụng và cách phân loại bể chứa chất lỏng

 Phạm vi sử dụng

Bể dùng để chứa các chất lỏng như sản phẩm hoá dầu (xăng, dầu hỏa), nước, axít, cồn,

 Cách phân loại chất lỏng

- Theo hình dạng: bể chứa hình trụ (đứng, ngang), hình cầu, hình giọt nước Trong

đó các bể chứa hình trụ là loại thông dụng nhất do dễ chế tạo và dựng lắp, tương đối tiết kiệm vật liệu

- Theo vị trí đặt: bể đặt trên cao, đặt trên mặt đất, bể ngầm, nửa ngầm, dưới đất hoặc dưới nước

- Theo thể tích: bể có thể tích không đổi và bể có thể tích thay đổi

- (Theo áp lực dư do chất lỏng bay hơi):

Bể áp lực thấp: pd 0,002MPa(0,02kG cm/ 2) và áp lực chân không khi xả hết

0 0,00025 (0,0025 / )

Bể áp lực cao: pd 0,002MPa

- Theo cách chế tạo: bể có ứng suất trước, bể không gây ứng suất trước Với những

bể có dung tích lớn, thường gây ứng suất trước trong thành bể nhằm giảm bề dày của thành bể từ đó tiết kiệm thép

- Theo vật liệu làm bể: bể BTCT, bể thép, bể liên hợp (thành bể dùng hỗn hợp vật liệu BTCT và thép)

 Loại bể được lựa chọn căn cứ vào đặc điểm của chất lỏng chứa trong bể, điều kiện sử dụng, điều kiện khí hậu

Câu 5: Cấu tạo của đáy, thân, mái bể (mái nón, mái treo, mái cầu) chứa trụ đứng áp lực thấp

Bể chứa trụ đứng thường dùng để chứa các sản phẩm dầu mỏ Dung tích bể 100  20000 m3

hoặc hơn nữa

Ưu điểm: dễ chế tạo và dễ thi công

Các bộ phận chính: thân (thành), đáy, mái

a) Đáy bể

Đáy bể đặt trực tiếp trên nền cát đầm chặt và chịu áp lực chất lỏng chứa trong bể Bề dày đáy

bể lấy theo cấu tạo của liên kết hàn và yêu cầu chống ăn mòn (do lực tác dụng vào đáy bể không đáng kể) Bề dày đáy bể khoảng 4 đến 6 mm

Kích thước tấm thép đáy bể có thể lấy như sau:

 Bể dung tích V ≤ 1000 m3 (D < 15 m): 1400 x 4200 x 4

 Bể dung tích V = 1000 - 2000 m3 (D = 18 – 25 m): 1500 x 6000 x 5;

2000 x 8000 x 5

 Bể dung tích V ≥ 2000 m3 (D > 25 m): Tấm biên 1500 x 6000 x 6

Tấm giữa 1500 x 6000 x 4

2000 x 8000 x 6

2000 x 8000 x 4

Để nối các tấm thép đáy bể dùng đường hàn đối đầu để liên kết cạnh ngắn và dùng đường hàn góc để liên kết cạnh dài Đường kính đáy bể lớn hơn đường kính thân bể khoảng 10 cm

b) Thõn bể (thành bể)

Thõn bể được chế tạo thành cỏc đoạn ở nhà mỏy và chở đến cụng trường ở dạng cuộn Trong cựng một đoạn thõn dựng đường hàn đối đầu Cỏc đoạn thõn bể được liờn kết với nhau tại cụng trường bằng đường hàn đối đầu (khi bể dày thành bể khụng đổi) hoặc đường hàn gúc (liờn kết chồng)

Neo: bộ phận neo bể cú tỏc dụng chống nhổ cho thõn và đỏy bể khi chịu tải trọng giú (nhất là khi chất lỏng trong bể cũn ớt) Khoảng cỏch cỏc neo 2 đến 2,5 m theo chu vi Đối xứng với vị trớ đặt thộp neo đặt một vũng cứng bằng thộp gúc để tăng độ cứng cho bể

c) Mỏi bể

Hỡnh dạng mỏi bể phụ thuộc vào thể tớch bể và phương của tải trọng tỏc dụng lờn mỏi bể (đặc điểm của chất lỏng trong bể)

A

A

B

B

A-A B-B

100

Đáy bể Lớp chống thấm

Đệm cát đầm chặt

Đất đắp

Vành cứng Bulông neo

Hỡnh 17: Cấu tạo đỏy bể

Hỡnh 19: Cỏc dạng mỏi bể a) Mỏi nún; b) Mỏi treo; c) Mỏi cầu; d) Mỏi trụ cầu

Phân loại: mái nón, mái treo, mái trụ cầu

 Mái nón: thường dùng cho các bể có V ≤ 5000 m3 và tải trọng tác dụng từ trên xuống Mái được lắp ghép từ các tấm chế tạo sẵn; độ dốc mái i = 1/20; bề dày thép tấm 2,5 – 3 mm; một đầu tấm mái tựa trên cột trung tâm, đầu kia tựa lên thành bể;

 Mái treo: thường dùng cho các bể có V ≤ 5000 m3 và tải trọng tác dụng từ trên xuống Mái được cấu tạo từ các dải thép tấm, một đầu liên kết với mũ cột trung tâm, đầu kia tựa lên vành thân bể tiết diện hộp Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì tấm mái chỉ chịu kéo nên nhẹ hơn mái nón;

 Mái cầu, mái trụ cầu: dùng cho bể có thể tích lớn, mái chịu tải trọng tác dụng từ dưới lên (bể có áp lực dư lớn) Mái cầu có dạng cupôn sườn vòng, ghép từ các tấm định hình dày 2,5 – 4 mm Một đầu tấm mái tựa lên vành biên thân bể, đầu kia tựa lên vành trong Câu 6: Nguyên tắc tính toán mái nón, mái treo, mái cầu

 Mái bể được tính toán với 2 tổ hợp tải trọng:

– Tổ hợp 1: gồm các tải trọng tác dụng từ trên xuống (trọng lượng mái bể, hoạt tải mái) Thường dùng tổ hợp 1 để tính toán mái bể

– Tổ hợp 2: gồm các tải trọng tác dụng từ dưới lên (trọng lượng mái bể, áp lực dư, gió hút) Thường dùng để kiểm tra phần tính toán ở trên

 Mái nón có cột trung tâm: Tấm mái tính toán như các ô sàn, các dầm hướng tâm được tính như các dầm đơn giản kê lên thành bể và cột trung tâm Dầm ngang của các tầm cũng tính như dầm đơn giản kê lên các dầm hướng tâm

Lực dọc lên cột trung tâm: 1 2

3

A r p (2/3 tải trọng mái tác dụng lên thân bể)

 Mái nón không có cột trung tâm: Sườn hướng tâm của các tấm tính như dầm gãy hai đầu tựa lên thành bể, sơ đồ tính là hệ siêu tĩnh với ẩn số là lực xô ngang H=X, chịu tải trọng phân bố dạng tam giác hay hình thang và các lực tập trung P,P1,P2 do các trang thiết bị trên mái

 Mái treo tính như vỏ mỏng phi mô men, phương trình mặt trung bình có dạng:

Hình 20: Tính mái nón không có cột trung tâm

a) Sơ đồ tính; b) Hệ cơ bản

3 3

y = - + 2

Trong đó: r – bán kính mái,

h – độ cao giữa mái;

P – tải trọng đơn vị do Gm, Gcn và P0 gây ra

Lực kéo theo phương kinh tuyến ở biên dưới của mái:

Trong đó  là góc tiếp tuyến với đường cong kinh tuyết ở điểm biên dưới với phương ngang (thường dùng  = 50)

Lực kéo theo phương kinh tuyến ở tọa độ x:

Lực dọc lên cột trung tâm : A = r2p

 Mái cầu lắp ghép: Tính toán như cupôn sườn

Hình 21: Sơ đồ tính mái treo, mái cầu a) Mái treo; b) Vòm hai khớp với thanh căng quy ước;

b) c) Vòm để xác định diện tích thanh căng

2

N = 3(h - rtg )

3

x pr

N = (h - rtg )

Diện tích thanh căng giả tưởng:

Câu 7: Chọn và kiểm tra bền bề dày thân bể chứa trụ

đứng áp lực thấp

Thân bể là bộ phận chịu lực chính, được tính toán theo

phương pháp TTGH, dùng lý thuyết phi mômen

 Kiểm tra bền

Thân bể chịu kéo do áp lực thuỷ tĩnh (do chất lỏng chứa

trong bể) và áp lực dư trong không gian hơi (theo nhiệm

vụ thiết kế) Các áp lực này gây ra các ứng suất kéo

theo phương kinh tuyến s1 và ứng suất kéo vòng s2

trong thân bể

Áp lực thuỷ tĩnh ở độ sâu x kể từ mặt thoáng chất lỏng:

1 1 2

p   x p 

Với: 1 - trọng lượng riêng của chất lỏng chứa trong

bể, kG/cm3;

h - chiều cao tối đa của chất lỏng, cm;

γ1, γ2 - hệ số độ tin cậy của áp lực thuỷ tĩnh và áp lực

dư, γ1 = 1,1; γ2 = 1,2;

pd - áp lực dư trong không gian hơi , lấy theo nhiệm vụ

thiết kế

Công thức kiểm tra bền thành bể:

(9)

Từ (9) xác định được bề dày thành bể:

Với: σ - ứng suất kéo theo phương vòng; 2

fwt - cường độ tính toán chịu kéo của đường hàn đối đầu;

γc = 0,8 - hệ số điều kiện làm việc;

r = r2 - bán kính thân bể

 Chú ý: Cần tính chiều dày cho từng đoạn thân Khoảng cách lấy vượt quá đường hàn vòng là 30 cm (vì ở gần đường hàn vòng thì ứng suất kéo vòng giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng biên)

 Tính toán chỗ nối thân với đáy bể (tính theo hiệu ứng biên)

Công thức kiểm tra:

Tại chỗ nối, biến dạng theo phương đường kính của thân bị đáy cản trở nên phát sinh moomen uốn và lực cắt cục bộ (việc tính toán chính xác nhưng phức tạp)

σ = f γ

t 

x

wt c

p r

f γ 

Hình 22: Sơ đồ tính thành bể

D = 2r

2

1



1



d

p

x

p

px

x

v

A =

n

Để tìm các lực cục bộ trên có thể dùng phương pháp lực với sơ đồ tính và hệ cơ bản gồm 2 ẩn số X1, X2 như trên hình

Khi tính giả thiết giải phẳng bề rộng 1 đơn vị tách ra từ thân và đáy bể làm việc như dầm trên nền đàn hồi với các hệ số nền tương ứng của thân và đáy

Phương trình chính tắc có dạng:

 Kiểm tra chỗ nối thân với đáy bể

Tại chỗ nối, biến dạng của thân bị đáy cản trở nên phát sinh mômen uốn và lực cắt cục bộ (việc tính toán chính xác rất phức tạp) Mômen uốn cục bộ lớn nhất do hiệu ứng biên, tính cho dải rộng 1 cm, xác định theo công thức gần đúng:

Với: a = 0,1 - khi coi liên kết giữa thân và đáy là ngàm đàn hồi,

a = 0,3 - khi coi liên kết giữa thân và đáy là ngàm cứng;

P - áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên thành bể ở độ sâu đáy bể,

Đường hàn liên kết giữa thân và đáy bể được kiểm tra theo công thức:

Với: Wf - mômen chống uốn của 1 cm dài của 2 đường hàn góc liên kết;

fwf - cường độ tính toán của đường hàn góc

Ứng suất lớn nhất theo phương đường sinh ở phía dưới thân bể kể tới hiệu ứng biên:

Với: g - trọng lượng bể trên 1 đơn vị dài theo phương vòng;

γc = 1,6 - hệ số điều kiện làm việc (cho phép có biến dạng dẻo)

Câu 8: Ổn định của thân bể chứa trụ đứng áp lực thấp theo phương vòng, phương đường sinh

Thân bể có thể bị mất ổn định do tác dụng của ứng suất nén theo phương đường sinh s1 hoặc ứng suất nén theo phương vòng s2 hoặc do tác dụng đồng thời của chúng

 Kiểm tra ổn định của thành bể chịu 1

Công thức kiểm tra:

Với: γc = 1,1 - hệ số điều kiện làm việc khi xét ổn định;

nc = 0,9 - hệ số tổ hợp tải trọng;

scr1 - ứng suất nén tới hạn theo phương đường sinh, lấy giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị f và cEt/r;

(với r/t ≤ 300 )

C - hệ số tra bảng theo tỷ số r/t, lấy theo bảng 4.1

Bảng 4.1: Giá trị hệ số C

P = γ ρ h + γ p

wf c f

M f γ

g 6M

σ = + f.γ

t

G r

σ = G + G + (P - P )n + σ γ

2t t

2

Δr = (ρ x + p ) [Δr]

Et

M = αPrt

f r

ψ = 0,97 - 0,00025 + 0,95

E t

r/t 100 200 300 400 600 800 1000 1500 2500

Ứng suất nén theo phương đường sinh gây ra bởi các tải trọng sau:

Trọng lượng của mái và các thiết bị trên mái:

trong đó: γm = 1,1- hệ số độ tin cậy của tải trọng;

gmtc - trọng lượng của mái và các thiết bị trên mái, có thể lấy ở phần tính mái bể hoặc lấy theo kinh nghiệm phụ thuộc vào thể tích bể (theo bảng 4.2):

Bảng 4.2: Trọng lượng mái gmtc

gmtc (T/m2) 0,03 0,035 0,045 0,055 0,060 0,065

– Trọng lượng lớp cách nhiệt trên mái:

trong đó: γcn = 1,2 - hệ số độ tin cậy của tải trọng;

- trọng lượng lớp cách nhiệt

– Áp lực chân không:

trong đó: 0 = 1,2 - hệ số độ tin cậy của tải trọng;

p = 2,5.10 MPatc0 -5 - áp lực chân không tiêu chuẩn

– Gió hút: P = γ W c g w 0 2

– trong đó: w0 - áp lực gió tiêu chuẩn, lấy theo TCVN 2737 -1995;

w = 1,2 - hệ số độ tin cậy của tải trọng;

c2 = 0,8 - hệ số khí động

 Kiểm tra ổn định của thành bể chịu 2:

Công thức kiểm tra:

với: cr2 - ứng suất nén tới hạn theo phương vòng, xác định như sau:

Nếu 0,5 ≤ l/r ≤ 10: 3/2

cr2

σ = 0,55E(r/l)(t/r) ;

cr2

σ = 0,17E(t/r) ; Nếu 10 < l/r < 20 : cr2 = nội suy

 Kiểm tra ổn định của thành bể chịu 2:

Công thức kiểm tra:

tc

m m m

G = γ g

tc

G = γ g

tc

0 0 0

P = γ p tc

0 0 0

P = γ p

2 g0 0 c r cr2 c

t 

2 g0 0 c r cr2 c

t 

tc

cn

g

(17)

với: cr2 - ứng suất nén tới hạn theo phương vòng, xác định như sau:

Nếu 0,5 ≤ l/r ≤ 10: 3/2

cr2

σ = 0,55E(r/l)(t/r) ;

cr2

σ = 0,17E(t/r) ; Nếu 10 < l/r < 20 : cr2 = nội suy

Ứng suất nén theo phương vòng gây ra bởi các tải trọng sau:

 Tải trọng gió quy đổi thành áp lực chân không quy ước:

với k là hệ số kể tới sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao

 Tải trọng chân không, tính theo công thức: tc

0 0 0

P = γ p

 Kiểm tra ổn định của thành bể chịu tác dụng đồng thời của 1 và 2 :

Công thức kiểm tra:

cr1 cr2

σ + σ 1

Nếu (16), (17) hoặc (18) không thoả mãn phải tăng bề dày thành bể hoặc gia cường cho thành bể bằng các vành cứng trung gian là các thép góc (từ 1 đến 3 vành) nhằm giảm l (tăng cr2)

Câu 9: Kích thước tối ưu (Dtu, Htu) của bể chứa trụ đứng có bề dày thân không đổi -Thể tích thép của bể:

(1) với: t - bề dày của thân bể;

Δ - tổng bề dày quy đổi của đáy và mái bể, có thể lấy theo bảng sau (tuỳ thuộc vào thể tích bể)

V (m3) 2000 4000 8000 12000 16000 20000

-Thể tích của bể:

(2) -Thay trị số của D vào (1) ta có

(3) -Lấy đạo hàm của (3) theo h và cho bằng không (tìm cực tiểu) thu được:

g0 g 0

P = 0,5γ W k

2

V = πDht + Δ

4

2

V = h D =

thep

VΔ

V = 2t πVh +

h

(4) -Từ (4) xác định được chiều cao tối ưu về chi phí vật liệu của bể:

(5) -Thay trị số của hkt xác định theo (4) vào (2) thu được đường kính tối ưu của bể:

(6) -Thay vào (4) thu được:

-Tức là trọng lượng bể chứa trụ đứng có bề dày thân không đổi là tối thiểu nếu thoả mãn điều kiện trọng lượng của mái và đáy bằng hai lần trọng lượng thân bể

Câu 10 Kích thước tối ưu của bể chứa trụ đứng có bề dày thân thay đổi

-Thể tích thép của bể:

(1) với: t - bề dày của thân bể;

Δ - tổng bề dày quy đổi của đáy và mái bể, có thể lấy theo bảng sau (tuỳ thuộc vào thể tích bể)

V (m3) 2000 4000 8000 12000 16000 20000

-Thể tích của bể:

(2) -Thay trị số của D vào (1) ta có

(3) -Lấy đạo hàm của (3) theo h và cho bằng không (tìm cực tiểu) thu được:

(4)

thep

2

= t - = 0

2 3

h =

π t

 

 

 

3

D = 2

π Δ 2

πD

4

2

mai day than

1πDht = πD Δ G + G = 2G

2

V = πDht + Δ

4

2

V = 2t πVh +

h

thep

2

= t - = 0

-Từ (4) xác định được chiều cao tối ưu về chi phí vật liệu của bể:

(5)

-Trong công thức (5) thay và thu được chiều cao tối ưu về chi phí vật liệu của bể:

với: 1 - trọng lượng riêng của chất lỏng chứa trong bể;

γ1- hệ số độ tin cậy của tải trọng

-Trọng lượng bể chứa trụ đứng có bề dày thân thay đổi là tối thiểu nếu thoả mãn điều kiện:

-Trong thực tế, do điều kiện chế tạo và thi công chiều cao của bể chọn như sau:

o Nếu hkt ≤ 14 m  chọn h = 12 m

o Nếu hkt > 14 m  chọn h = hkt ≤ 18 m

o Nếu V < 1000 m3  chọn h/D = 0,25 ~ 1,0

o Nếu V > 1000 m3  chọn h/D = 0,2 ~ 0,5

Khi chọn h cần lưu ý đến quy cách bề rộng của thép tấm (thường chọn h là bội số của 1400,

1500, 2000 mm)

Câu 11 Phạm vi áp dụng, các thể tích thông dụng và ưu nhược điểm của bể chứa trụ ngang

Trả lời

- Phạm vi áp dụng:

Bể chứa trụ ngang thường dùng để chứa các sản phẩm dầu mỏ với áp lực dư pd ≤ 0,2 MPa hoặc hơi hoá lỏng với pd ≤ 1,8 MPa Áp lực chân không khi bể rỗng p0 < 0,1 MPa

- Các thể tích thông dụng:

Kích thước bể thường gặp: V ≤ 100 m3 - với bể chứa sản phẩm dầu mỏ,

V ≤ 300 m3 - với bể chứa hơi hoá lỏng;

l = (2 ~ 30) m; D = (1,4 ~ 4) m;

Đường kính lợi nhất của bể chọn như sau:

Dkt 0,83V - khi pd ≤ 0,07 MPa

Dkt 0,63V - khi pd > 0,07 MPa

- Ưu nhược điểm:

2 3

h =

π t

 

 

  2

πD

4

1 1

wt c

γ ρ hr

t =

f γ

wt c kt

1 1

f γ Δ

h =

γ ρ

Nếu r/ t > 200 - cần bố trí vành cứng tại từng khoang bể, Nếu r/ t ≤ 200 - chỉ cần bố trí vành cứng tại gối tựa

Nếu r/ t > 200 - cần bố trí vành cứng tại từng khoang bể,

Nếu r/ t ≤ 200 - chỉ cần bố trí vành cứng tại gối tựa

 Ưu điểm: Chịu được áp lực dư lớn hơn đáng kể so với bể trụ đứng; hình dạng đơn

giản, dễ chế tạo; vì kích thước bể không lớn nên có thể chế tạo cả bể tại nhà máy

(giảm chi phí chế tạo)

 Nhược điểm: phải có gối tựa (làm tăng chi phí)

Câu 12 : Đặc điểm cấu tạo của thân bể chứa trụ ngang

Trả lời

- Thân bể được chế tạo bằng cách hàn đối đầu các khoang bể, bề rộng khoảng 1,5 m đến

2 m (là bề rộng thép tấm)

- Bề dày thân lấy theo tính toán, thông thường t = 3 ~ 36 mm

- Để đảm bảo độ cứng của các khoang bể khi chế tạo, vận chuyển hoặc khi chịu áp lực

chân không (bể rỗng) cần cấu tạo vành cứng bằng thép góc hàn vào thân bể

Nếu r/ t > 200 - cần bố trí vành cứng tại từng khoang bể,

Nếu r/ t ≤ 200 - chỉ cần bố trí vành cứng tại gối tựa

Câu 13 Vị trí đặt gối tựa của bể chứa trụ ngang, nguyên lý và cách xác định

Trả lời

- Nguyên lý:

Xác định từ điều kiện cân bằng mômen ở gối và ở nhịp do trọng lượng bản thân bể và

chất lỏng chứa đầy trong bể:

- Cách xác định: