Расчет трубопроводов на сейсмические воздействия

Смотрите также

Функция доступна только при наличии опции "СТАРТ-Сейсмика".

В настоящее время в СТАРТ-ПРОФ реализована оценка прочности трубопроводов от сейсмических воздействий по всем нормативным документам кроме:

Согласно следующим нормам по расчету на сейсмические воздействия:

При расчете сейсмостойкости трубопроводов учитываются отклики от следующих воздействий:

Затем вычисляются суммарные отклики от всех компонент сейсмического и статического воздействия.

Расчет на инерционные воздействия

Расчеты трубопроводов на сейсмические воздействия  от инерционных сил производятся по следующим методам:

Эквивалентный статический метод - предполагает вычисление откликов от эквивалентной статической инерционной нагрузки для различных вариантов направления сейсмического воздействия. К достоинствам этого метода по сравнению с линейно-спектральной теорией можно отнести простоту расчета, а также возможность учета конструктивной нелинейности системы (отключение односторонних связей), которую невозможно учесть по линейно-спектральной теории. Недостатком является не учет вклада высших форм колебаний конструкции. Поэтому для компенсации возможной неточности при вычислении сейсмических нагрузок вводятся определенные коэффициенты запаса, а также сейсмическое ускорение принимается равным максимальному спектральному ускорению.

Линейно-спектральная теория - дает более точные результаты по сравнению со эквивалентным статическим методом за счет более точного определения сейсмических ускорений в зависимости от значений частот собственных колебаний конструкции. Она использует исходное сейсмическое воздействие в виде спектров ускорений, по которым вычисляются модальные (соответствующие каждой из собственных частот) инерционные сейсмические нагрузки. Эти нагрузки прикладываются как статические и определяются модальные отклики. Затем вычисляется расчетный отклик, суммируя все модальные отклики по специальным формулам.

Метод динамического анализа - дает еще более точные результаты, позволяет учитывать физическую, геометрическую и конструктивную нелинейность, но намного более трудоемкий и наукоемкий при использовании на практике. Используется для особо ответственных трубопроводов. Требует в качестве исходной информации задания записей сейсмических ускорений грунта (акселерограмм). Для анализа используется либо прямое интегрирование уравнений движения, либо движение системы раскладывается по всем собственным частотам и формам колебаний. Т.е. моделируется движение трубопровода во время землетрясения и после него. В процессе моделирования фиксируются максимальные значения откликов, возникающие в различные моменты времени.

В программе СТАРТ-ПРОФ на сегодняшний день реализован эквивалентный статический метод расчета, который достаточно прост в применении и при этом позволяет оценить сейсмостойкость трубопровода с некоторым запасом в большинстве случаев. Инерционные силы вычисляются по формуле

1.3 - коэффициент запаса, учитывающий вероятную погрешность статического метода по сравнению с линейно-спектральной теорией;

- масса элемента трубопровода;

- коэффициент для вертикального сейсмического ускорения, заданный в исходных данных (0.65...0.75).

Если трубопровод уложен на строительной конструкции, в здании, на эстакаде, то на трубопровод будут действовать более высокие ускорения, вызванные колебаниями самой конструкции, на которой он установлен. В горизонтальном направлении:

В вертикальном направлении:

Значения ускорений могут определяться из расчета поэтажных спектров ответа для строительной конструкции, на которой установлен трубопровод по программам для расчета строительных конструкций. При отсутствии такой возможности значения коэффициентов усиления ускорений могут приниматься согласно нормам.

- максимальное значение спектрального ускорения, вычисленное с учетом требований выбранного нормативного документа (СНиП II-7-81*, СП 14.13330.2018, НП-031-01, GB50011-2001);

СП 14.13330.2018:

- максимальное горизонтальное ускорение для площадки строительства

- коэффициент динамичности. Поскольку используется статический метод расчета, период колебаний трубопровода неизвестен, поэтому в расчете принимается максимальное значение коэффициента динамичности - 2.5

- коэффициент, учитывающий назначение трубопровода, задается в свойствах трубы

- коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения конструкции трубопровода. Определяется согласно выбранному нормативному документу по расчету на прочность трубопровода или задается в общих данных. Рекомендуется принимать следующие значения:

- принимается равным единице т.к. исключен в новой редакции СП 14.13330.2018

- коэффициент, учитывающий способность конструкции к рассеиванию энергии, задается в свойствах трубы

=1.0. Но при сейсмичности площадки 8 баллов и более, повышенной только в связи с наличием грунтов III категории =0.7

СНиП II-7-81*:

Ускорение вычисляется аналогично СП 14.13330.2018, но принимается =1.0 и =1.0

НП-031-01:

Ускорение вычисляется аналогично СП 14.13330.2018, но принимается =1.0, =1.0, =1.0, =1.0

принимается

для труб D > 100 мм =4.48  (относительное демпфирование 0.02)

для труб D <= 100 мм =5.32  (относительное демпфирование 0.01)

для труб D > 300 мм =3.96 (относительное демпфирование 0.03)

для труб 300 => D > 100 мм =4.48 (относительное демпфирование 0.02)

для труб D <= 100 мм =5.32 (относительное демпфирование 0.01)

 

Для определения откликов от инерционных сил программа выполняет следующие расчеты:

При расчете учитывается конструктивная нелинейность (включение/отключение опор с односторонними связями и опор с зазорами), учитывается "маятниковый эффект" (при отклонении подвесок от вертикального положения), трение.

Вычисляются максимальные отклики для каждого из направлений сейсмического воздействия, вычисляемые с использованием разности внутренних от статических воздействий и совместного действия статических воздействий и инерционных сил:

Для технологических трубопроводов категории Is (ГОСТ 32388-2013) и трубопроводов I категории при расчете по НП-031-01 для таблиц перемещений, нагрузок на опоры, деформаций компенсаторов минимальные и максимальные значения откликов вычисляются по формулам

L12. k*L1 + (max(L9,L10)^2 + Xmax_SAM^2 +max(L11,L12)^2 + Ymax_SAM^2 +max(L13,L14)^2 + Zmax_SAM^2)^0.5

L13. k*L1 - (max(L9,L10)^2 + Xmax_SAM^2 +max(L11,L12)^2 + Ymax_SAM^2 +max(L13,L14)^2 + Zmax_SAM^2)^0.5

Xmax_SAM, Ymax_SAM, Zmax_SAM - отклики от сейсмических смещений опор (см. ниже).

k - коэффициент сочетания для СНиП 2.05.06-85, СП 36.13330.2012.

Посмотреть значения откликов можно с помощью меню:

Для напряжений:

L12. k*L2 + (max(L9,L10)^2 + Xmax_SAM^2 +max(L11,L12)^2 + Ymax_SAM^2 +max(L13,L14)^2 + Zmax_SAM^2)^0.5

L13. -

Примечание: напряжения вычисляются отдельно для сжатой и растянутой зоны. Наибольшее по модулю значение используется в дальнейших расчетах.

 

Для категорий технологических трубопроводов IIs и IIIs (ГОСТ 32388-2013) и для всех других документов для таблиц перемещений, нагрузок на опоры, деформаций компенсаторов отклики вычисляются по формулам

L12. k*L1 + max (L9, L10, L11,L12, L13, L14, Xmax_SAM, Ymax_SAM, Zmax_SAM)

L13. k*L1 + min (L9, L10, L11,L12, L13, L14, Xmax_SAM, Ymax_SAM, Zmax_SAM)

 

Для напряжений:

L12. k*L1 + max (L9, L10, L11,L12, L13, L14, Xmax_SAM, Ymax_SAM, Zmax_SAM)

L13. -

 

Максимальные по модулю значения откликов вычисляются по формулам:

14. max (abs(L12), abs(L13))

 

Напряжения вычисляются отдельно в сжатой и растянутой зоне. Это важно для нормативных документов где суммируются напряжения от осевой силы и момента.

Напряжения для сжатой и растянутой зоны вычисляются отдельно, а затем в конце процесса выбирается наибольшее значение.

 

Расчет на сейсмические смещения опор

При соединении трубопровода с различными строительными конструкциями и аппаратами большой по сравнению с трубопроводом массы, будут происходить сейсмические колебания этих конструкций относительно рассчитываемого трубопровода, что следует учитывать при расчете. Если аппарат имеет существенно большую массу по сравнению с трубопроводом, то необходимо учитывать сейсмические смещения, передаваемые таким сосудом на рассчитываемый трубопровод. Для этого в точке присоединения трубопровода к сосуду необходимо задать три сейсмических смещения аппарата, которые могут быть получены расчетом или по согласно документу ГОСТ Р 55722-2013 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на сейсмические воздействия. Эстакада или строительная конструкция, на которой уложен трубопровод также будет испытывать колебаний при сейсмическом воздействии, что необходимо учитывать при расчете трубопровода.

Получить максимальные перемещения можно из сейсмического расчета строительной конструкции по одной из программ для расчета строительных конструкций. Расчет выполняется на воздействия по X, Y и Z. Для каждого из направлений получаются по три значения максимальных перемещений , где i - направление сейсмического воздействия. Затем окончательные перемещения, которые необходимо задать в СТАРТ-ПРОФ вычисляются как:

Либо менее консервативно:

Cейсмических смещений опор  являются максимально возможными перемещениями точки закрепления в каждом из направлений, которые возникают не одновременно, а в разные моменты времени. Этот факт учитывается при суммировании воздействий от смещений опор с воздействиями от инерционных сил.

Опоры могут быть отнесены к одной или нескольким "фазовым группам". К примеру, все опоры на одном этаже здания движутся синхронно, и поэтому они все относятся к фазовой группе №1. Опоры на другом этаже относятся к другой фазовой группе №2. Количество фазовых групп не ограничено. Предполагается, что каждая фазовая группа смещается независимо от остальных групп. Если трубопровод фактически находится на втором этаже здания, но прикреплен "к пололку", т.е. к перекрытию третьего этажа здания, то такое крепление должно быть отнесено к фазовой группе третьего этажа здания.

Если трубопровод переходит со второго этажа одного здания на второй этаж другого здания, то все крепления трубопровода, находящиеся в одном здании должны быть отнесены к одной фазовой группе, а крепления в другом здании - к другой фазовой группе, даже если величины смещений этих фазовых групп абсолютно одинаковы. Таким образом будет учтено то, что при землетрясении точки закрепления трубопроводов в разных зданиях могут двигаться в противофазе, т.е. например навстречу друг другу.

Всего для каждой фазовой группы необходимо задать три максимально возможных (возникающих в различные моменты времени) перемещения по осям X,Y и Z. Для каждой фазовой группы программа выполняет шесть расчетов:

Для второй и последующих фазовых групп выполняются такие же расчеты:

При расчете учитывается конструктивная нелинейность (включение/отключение опор с односторонними связями и опор с зазорами), учитывается "маятниковый эффект" (при отклонении подвесок от вертикального положения), трение.

Расчет производятся аналогично расчетам для инерционных сил: для перемещений, нагрузок и т.д. вычисляется непосредственно разность значений откликов, а для напряжений вычисляется разность двух эквивалентных напряжений, вычисленных по внутренним усилиям в первом и во втором состояниях.

1 фазовая группа:

2 фазовая группа:

Далее суммируются отклики от сейсмических смещений опор по всем фазовым группам отдельно для каждого из направлений X,Y,Z:

Список рекомендуемой литературы

1. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость, СПб: Наука, 1998

2. СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах

3. СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*

4. НП-031-01 Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций

5. GB50011-2001 Строительство в сейсмических районах Китая