Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

где F_c = F_кр/n_ф = 371/8 = 46,4м².

 

Таблица 3 – Расчётная нагрузка на узлы фермы

№	Fi, м2	Pi, кН
7	0,32	0,8
6	2,58	6,8
5	5,16	13,7
4	7,74	20,5
3	10,33	27,4
2	12,9	34,2
1	7,43	19,7

 

Опорные реакции R_A и R_B подсчитываются из условия равновесия фермы, рассматривая её как одностороннюю балку. Усилия в стержнях фермы определяют графически, методом построения диаграммы Максвелла-Кремоны.

Определение реакций

 

Рисунок 5 – Схема распределения  нагрузок на ферме

 

 

 

 

 

SM_А = 0;  P₂·d+P₃·2d+P₄·3d+P₅·4d+P₆·5d+P₇·6d

R_b = 40,7 кН

SM_В = 0; P₁·R+P₂·5d+P₃·4d+P₄·3d+P₅·2d+P₆·d

R_A = 82,4 кН

Проверка:

SY_p = 0

R_A+R_B-P₁-P₂-P₃-P₄-P₅ = 0

82,4+40,7-19,7-34,2-27,4-20,5-13,7-6,8-0,8 = 0

Вывод: условие статического равновесия выполняется.

В результате графических  построений получим значения и сведем их в таблицу 4.

 

Таблица 4 – Усилия в стержнях фермы.

Направление обхода	Обозначение	Усилие, кН	Знак
2-3-а-2	a2 3a	19,7 0	-
1-2-а-в-1	ab b1	93 70	- +
1-в-с-1	bc c1	0 70	+
c-b-a-3-4-d-c	cd 4d	42 101	+ -
4-5-e-d-4	5e ed	101 27,4	- -
1-c-d-e-f-1	ef f1	17 91	+ +
1-f-g-1	fg g1	0 91	+
5-6-h-g-f-e-5	h6 hg	57 46	- -
6-7-i-h-6	7i ih	57 14	- -
1-g-h-i-j-1	ij j1	39 38	+ +
1-j-k-1	jk k1	0 38	-
7-8-l-k-j-i-7	8l lk	0 56	-
8-9-l-8	9l	0,8	-

 

Размеры поперечных сечений стержней фермы подбираются по наиболее нагруженным элементам.

Для предупреждения перерасхода материала, выбираем три уголка с тремя поперечными сечениями в зависимости от продольного усилия в стержнях.

Для растянутых стержней требуемая  площадь сечения

,                                                                                                                               (9)

где N_i — наибольшее растягивающее усилие в стрежне.

N_i = P_f1 = P_g1 = 91кН

F_тр 91·10³/160·10⁶ = 0,8·10^-3м² = 8см²

Исходя из условия (9), выбираем по сортаменту для прокатной  угловой равнобокой стали уголок с параметрами:

F_тр = 8,78см²

b = 70мм – ширина полки;

d = 8мм – толщина проката.

Для сжатых стержней:

_{,                                                                                                                         (10)}

где  N_i — наибольшее сжимающее усилие в стрежне;

 j — коэффициент продольного изгиба; j=0,6.

N_i = P_4d = P_5e = 101кН

F_тр = 101·10³/0,6·160·10⁶ = 1,35·10^-3м² = 13,5см²

По сортаменту выбираем уголок с  параметрами:

F_тр = 15,6см²;

r_x = 2,75см – минимальный радиус инерции;

b = 90мм – ширина полки;

d = 9мм – толщина проката.

Для подобранных сечений уголков  определяем действительную гибкость стержня:

_{,                                                                                                                                (11)}                          

где l₀ — расчетная длина стержня; l₀=198см (стержень 4d и 5e – наиболее сжаты)

      m=1,0 — коэффициент, зависящий от характера закрепления концов стержня;

     r_х — радиус инерции сечения.

,                                                                                                                    (12)

Расчётные напряжения не должны отличаться от допускаемых более  чем на ±5%. В противном случае следует изменить сечение и повторить расчёт.

l_д=1,0×198/2,75=72

В зависимости от l_д по таблице определяется действительное значение коэффициента продольного изгиба j _д и подсчитывается напряжение в подобранном сечении j _д=0,8.

s =130×10³/ 0,8×15,6×10^-4=104МПа<160МПа

Вывод: напряжения в стержнях не превышают допустимые.

 

1.6 Расчёт центральной  стойки

 

Центральная стойки служит для крепления  и поддержания каркаса покрытия и воспринимает часть вертикальной нагрузки. При расчете принимаю, что концы стойки закреплены шарнирно, нагрузка приложена центрально и составляет около 33% нагрузки, приходящейся на кровлю, т. е.  N_ст=0,33P_кр

Но более точно нагрузка на стойку

N_ст=n_ф×R_В  ,

где n_ф — число стропильных ферм;

R_В — опорная реакция фермы

N_ст=8× 40,7 = 325,6кН

Сечение центральной стойки берется в виде трубы (кольца) (Рисунок 6) и подбирается аналогично подбору сечений сжатых стержней фермы, изложенному в п.4. При этом предварительно задается значение j=0,6 ,что соответствует гибкости l=100. Требуемые площадь и радиус инерции.

 

Рисунок 6 – Сечение центральной стойки.

 

_[4]                                                                                                                          (13)

                                                                                                                           (14)

где l₀ —расчетная длина стойки (расстояние от днища до нижнего пояса стропильной фермы).

F_тр = 325,6·10³/0,6·160·10⁶ = 3391мм²

r_x = 11820/100 = 118,20мм

Средний диаметр трубы

D_ср = r_x/0,35 = 118,20/0,35 = 337,7мм

Примем D_ср= 340 мм

Расчёт толщины стенки трубы:

δ  = F_тр/π·D_ср = 3391/3,14·340 = 3,01мм                                                                                (15)

Принимаем толщину стенки трубы δ=4 мм.

Площадь полученного  сечения:

F = p×D_cp×d = 3,14×340×4 = 4270мм²

Проверим напряжения в подобранном сечении :

                                                                                                                    ₍₁₆₎              

_{Если расчётные  напряжения отличаются от допускаемых более  чем на ±5%, следует  изменить размеры  сечения и повторить  расчёт.}

j _д – коэффициент продольного изгиба центральной стойки. Определяется в зависимости от  l_д по таблице.

r_x = 0,35×340 = 119мм

l=l₀/ r_x=11820/119=99,34

Исходя из этого, выбираем коэффициент  продольного изгиба j _д=0,606

s =325,6·10³ / 0,606× 42,7·10^-4 = 127,1МПа<[s]_р = 160МПа

Вывод: напряжения меньше допустимых более, чем на 5%, поэтому изменяем размеры сечения.

Принимаем j = 0,52, тогда l = 110; r_x = 109мм; D_ср = 310мм; δ = 4мм

F = p×D_cp×d = 3,14·4·310 = 161МПа, что менее, чем на 5% больше допустимого значения [s]_р = 160МПа, значит условие выполняется.

Опорная часть стойки выполняется в виде плоской плиты квадратной формы. Стойка приваривается к плите с помощью косынок (Рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Опорная схема стойки

 

Размеры плиты в плане  определяются из условия прочности  фундамента при сжатии

 ,                                                                                                                             (17)

где [s]_ф — допускаемое напряжение при сжатии материала фундамента

      [s]_ф  = 4Па – бетонное основание

F_пл = 325,6·10³/4·10⁶ = 0,0814м²

= 0,29м

Принимаем ширину плиты В = 0,3м.  

Толщина плиты определяется из условия  работы её на изгиб. Расчетный изгибающий момент в средней части плиты :

М = N_ст·B/8 = 325,6·10³·0,3/8 = 12,2кНм

Момент сопротивления 

                                                                                                                               ₍₁₈₎

Требуемая толщина плиты

Примем d_п = 40мм

 

1.7 Расчёт сварных соединений

 

В сварном цилиндрическом резервуаре имеются следующие сварные соединения: кольцевые и вертикальные швы  корпуса резервуара, швы сопряжения корпуса с днищем, приварки обвязочного уголка к корпусу, сварные соединения стойки, стропильной фермы, щитов покрытия, лестницы, швы, присоединяющие патрубки, люки, лазы к корпусу резервуара, кровле и фланцам.

Сварные швы корпуса резервуара на прочность не рассчитываются, поскольку их прочность обеспечена при определении толщины поясов.

Швы, соединяющие корпус с днищем, воспринимают местный изгибающий момент, возникающий в нижнем поясе от краевого эффекта.

 

Рисунок 8 – Расположение швов соединяющих корпус с днищем и эпюра изгибающего момента  в нижнем поясе

 

Приближенно на единицу  периметра корпуса 

M_{1 max} = 0,1×r×H×R×d_I×1                                                                                                             (19)

Напряжения в шве сопряжения

                                                                                                            (20)

[t¢] = 0,8[s] = 0,8× 160 = 128МПа

 

Рисунок 9 – Патрубок  люка, приваренный к корпусу

 

Требуемый катет швов, приваривающих патрубки люков (лазов) к корпусу резервуара (Рисунок 9) определяется из условия

                                                                                                (21)

Данное соединение выполняется полуавтоматической сваркой, поэтому

[t¢] = 0,6[s] = 0,6× 160 = 96МПа

b=0,9

Принимаем k = 3мм

Требуемый катет шва, приваривающего фланец к патрубку люка, определяется из условия

                                                                                                      (22)

Принимаем k = 3мм

 

Рисунок 10 – Схема приварки обвязочного уголка к корпусу резервуара

 

Требуемый катет швов, приваривающих обвязочный уголок к  корпусу резервуара (Рисунок 10), определяется из условия

                                                                                                                   (23)

[t¢] = 0,8[s] = 0,8× 160 = 128МПа – для полуавтоматической сварки

b=0,9

Принимаем k = 3мм

Требуемая длина швов, приваривающих  раскосы и стойки к накладке (прокладке) и накладку (прокладку) к поясу  в узлах стропильной фермы (Рисунок 11), определяется таким образом: усилие, воспринимаемое фланговыми швами 1 и 2 Р_фл = N₃ – P_л распределяется обратно пропорционально их расстоянию до нейтральной оси. Для равнобоких уголков Р_фл1= 0,7Р_фл и Р_фл12= 0,3Р_фл. Тогда требуемая длина фланговых швов:

                                                                                                            (24)

b = 0,9- для полуавтоматической сварки

[t¢] = 96МПа

P_л = β·k·[τ’]

Результаты расчетов l₁ и l₂ сведем в таблицу 5, с учетом того, что минимальная длина рабочего шва должна быть больше либо равна 30 мм, а максимальная – меньше 50k , где k – катет флангового шва.