ГОСТ Р 51273-99. Государственный стандарт Российской Федерации. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий
(утв. и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 06.05.1999 № 158)
Примечание
С 1 июля 2003 года до вступления в силу технических регламентов акты федеральных органов исполнительной власти в сфере технического регулирования носят рекомендательный характер и подлежат обязательному исполнению только в части, соответствующей целям, указанным в пункте 1 статьи 46 Федерального закона от 27.12.2002 № 184-ФЗ. Документ введен в действие с 1 января 2000 года.
от 6 мая 1999 г. № 158
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОРМЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ УСИЛИЙ ДЛЯ АППАРАТОВ КОЛОННОГО ТИПА ОТ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК И СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Vessels and apparatus. Norms and methods of strength calculation. Rated strength calculation of column type apparatus from wind loads and seismic influence
1 января 2000 года
Предисловие
1. Разработан и внесен Техническим комитетом ТК 260 «Оборудование химическое и газонефтеперерабатывающее».
2. Утвержден и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 6 мая 1999 г. № 158.
1. Область применения
Настоящий стандарт устанавливает метод определения расчетных усилий, возникающих в элементах вертикальных цилиндрических сосудов (аппаратов колонного типа) от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий.
Для аппаратов колонного типа сочетания нагрузок при различном состоянии (монтаж, испытание, эксплуатация) устанавливаются по ГОСТ Р 51274.
2. Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована ссылка на ГОСТ Р 51274-99. Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность.
3. Общие требования
3.1. Расчету на ветровую нагрузку подлежат аппараты, устанавливаемые на открытой площадке.
3.2. Расчету на сейсмическое воздействие подлежат аппараты, предназначенные для установки в районах с сейсмичностью 7 и более баллов по шкале Рихтера.
3.3 Расчетная схема
3.3.1. В настоящем стандарте рассмотрены вертикальные аппараты, закрепленные в нижних сечениях.
В качестве расчетной схемы аппарата принимают консольный упруго защемленный стержень (рисунок 1).
Рисунок 1. Расчетная схема аппарата
В случае другого способа опирания расчет ведут по специальной методике, согласованной с разработчиком стандарта.
3.3.2. Аппарат по высоте разбивают на z участков, где высота участка h_{i} 10 м.
3.3.3. Нагрузки (весовая, ветровая и сейсмическая) рассматривают как сосредоточенные силы, приложенные в серединах каждого из z участков.
Нагрузку от веса прикладывают вертикально, а ветровую и сейсмическую нагрузки — горизонтально.
3.4. Условные обозначения и размерность величин, указанных в стандарте, приведены в Приложении А.
4. Определение периода собственных колебаний
4.1. Период основного тона собственных колебаний аппарата постоянного сечения с приблизительно равномерно распределенной по высоте аппарата массой следует определять по формуле
T = T_{0} \sqrt{1 + \frac{4EI}{HC_{F}I_{F}}} , (1)
. (2)При отсутствии данных о фундаменте в первом приближении допускается принимать T = T_{0} .
4.2 Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного сечения следует определять по формуле
T = 2\pi H \sqrt{\frac{\sum_{i = 1}^{z} G_{i} \cdot \alpha_{i}^{2}}{g(\frac{H}{2EI_{1}} \cdot \gamma + \frac{1}{C_{F}} I_{F})}} , (3)
где C_{F} — коэффициент неравномерности сжатия грунта, определяют по данным инженерной геологии, а при отсутствии таких данных C_{F} = 6 \cdot 10^{7}\text{Н}/\text{м}^{3} (6 x 10 = 6 кгс/м3);
\alpha_{i} — относительное перемещение центров тяжести участков, рассчитывают по формуле
\alpha_{i} + \gamma \frac{H}{2EI_{1}} \beta_{i} + \frac{x_{i}}{HC_{F}I_{F}} , (4)
где \beta_{i} — коэффициент по рисунку 2 или по формулам
\beta_{i} = \frac{1}{2} [3(\frac{x_{i}}{H})^{2} - (\frac{x_{i}}{H})3] ; \beta_{k} = \frac{1}{2} [3(\frac{x_{k}}{H})^{2} - (\frac{x_{k}}{H})3] ; (5)
\gamma — коэффициент, определяемый по формуле
\gamma = \frac{2}{H^{3}} [H_{1}^{3}(\Delta + \lambda) + H_{2}^{3}\mu + 2 \frac{I_{1}}{I_{3}} H_{1}H_{2}H_{3}] ; (6)
\Delta , \lambda , \mu — коэффициенты по рисунку 3 или по формулам
\Delta = \frac{1}{3} + \frac{I_{1}}{I_{2}} \cdot \frac{H_{2}}{H_{1}} [\frac{1}{3} (\frac{H_{2}}{H_{1}})^{2} + \frac{H_{2}}{H_{1}} + 1] ; \lambda = \frac{I}{I_{3}} \cdot \frac{H_{3}}{H_{1}} [\frac{1}{3} (\frac{H_{3}}{H_{1}})^{2} + \frac{H_{2}}{H_{1}} + 1] ; 
. (7)
Рисунок 2. Коэффициенты \beta_{i} , \beta_{k}
Для аппаратов с двумя переменными жесткостями коэффициент определяют по формуле (5), при этом H_{3} = 0 .
Для аппаратов с числом переменных жесткостей более трех коэффициент определяют другими методами, согласованными с разработчиком стандарта.
4.3. Общий период колебаний для групповых аппаратов (число аппаратов z_{k} ), установленных на общем фундаменте и жестко связанных в горизонтальном направлении, следует определять по формуле
T = 3, \sqrt{63\_\_\_\_ \frac{\sum_{l = 1}^{z_{k}} G_{l} \cdot H_{l}^{2}}{gC_{F}I_{F}} |} . (8)
5. Определение расчетного изгибающего момента от ветровой нагрузки
5.1 Расчетный изгибающий момент в сечении на высоте x_{0} следует определять по формуле
M_{v} = \sum_{i = 1}^{n} P_{i}(x_{i} - x_{0}) + \sum_{j = 1}^{m} M_{vj} . (9)
5.2 Ветровую нагрузку на i-м участке определяют по формуле
P_{i} = P_{ist} + P_{idyn} . (10)
5.3 Среднюю составляющую ветровой нагрузки на i-м участке определяют по формуле
P_{ist} = q_{ist}D_{i}h_{i} . (11)
5.4 Пульсационную составляющую ветровой нагрузки на i-м участке определяют по формуле
P_{idyn} = \nu G_{i}\xi\eta_{i} . (12)
5.5. Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на середине i-го участка аппарата (на высоте x_{i} над поверхностью земли) определяют по формуле
q_{ist} = q_{0i}\Theta_{i}K , (13)
где q_{0} — нормативное значение ветрового давления по таблице 1;
\Theta_{i} — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте аппарата, по рисунку 4 или по формулам:
\Theta_{i} = (\frac{x_{i}}{10})0,31 ; \Theta_{j} = (\frac{x_{1}}{10})0,31 ; (14)
K — аэродинамический коэффициент по таблице 2.
Нормативное значение ветрового давления q_{0}
| Ветровые районы <*> | Ia | I | II | III | IV | V | VI | VII |
| q_{0} , Н/м2 (кгс/м2) | 170 (17) | 230 (23) | 300 (30) | 380 (38) | 480 (48) | 600 (60) | 730 (73) | 850 (85) |
| <*> Ветровой район — по СНиП 2.01.07-85 [[1]](#p100195). | ||||||||
Аэродинамический коэффициент K
<*> Стрелкой указано направление ветра.
5.6 Коэффициент динамичности определяют по рисунку 5 или формуле
\xi = 1,1 + \sqrt{15,3\xi} , (15)
где \xi — параметр, определяемый по формуле
\xi = \frac{T \sqrt{q_{0}}}{790} (\xi = \frac{T \sqrt{q_{0}}}{250}) . (16)
5.7 Приведенное относительное ускорение центра тяжести i-го участка определяют по формуле
\eta_{i} = \alpha_{i} \frac{\sum_{k = 1}^{z} \alpha_{k} \cdot m_{k}P_{kst}}{\sum_{k = 1}^{z} \alpha_{k}^{2} \cdot G_{k}} , (17)
где \alpha_{i} и \alpha_{k} — относительные перемещения i и k-го участков, определяют по формуле (4);
m_{k} и m_{j} — коэффициенты пульсации давления ветра для середины соответственно k-го участка на высоте x_{k} и j-й площадки на высоте x_{j} по рисунку 6 или формулам:
m_{k} = 0,76(\frac{x_{k}}{10}) - 0,15 ; 
. (18)
Рисунок 6. Коэффициенты пульсации давления ветра m_{k} , m_{j}
5.8 Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра определяют по рисунку 7 или формуле
пульсаций давления ветра
5.9. Изгибающий момент в сечении на высоте x_{0} от действия ветровой нагрузки на обслуживающую j-ю площадку следует определять по формуле
M_{vj} = Kq_{0}\Theta_{j}(x_{i} - x_{0})(1 + 0,75\xi\chi_{j}m_{j}) \sum A_{p} . (20)
При отсутствии точных данных о формате площадки изгибающий момент M_{vj} определяют по формуле
M_{vj} = Kq_{0}\Theta_{j}(x_{j} - x_{0})(1 + 0,75\xi\chi_{j}m_{j})A_{j} , (21)
где K — аэродинамический коэффициент по таблице 2;
\sum A_{p} — сумма площадей всех проекций профилей j-й площадки на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, м2;
A_{j} — площадь, ограниченная контуром j-й площадки, м2;
\chi_{j} — коэффициенты по рисунку 8 или формуле
\chi_{j} = 1,56(\frac{x_{j}}{H})1,6 ; (22)
m_{j} — коэффициент пульсации давления ветра по рисунку 6;
\Theta_{j} — коэффициент по рисунку 4.
Рисунок 8. Коэффициент \chi_{j}
6. Определение расчетного изгибающего момента от сейсмических воздействий
6.1. Сейсмическую нагрузку, приложенную в середине i-го участка и соответствующую первому тону собственных колебаний аппарата, определяют по формуле
S_{i} = 0,375K_{s}\beta G_{i}\alpha_{i} \frac{\sum_{k = 1}^{z} G_{k} \cdot \alpha_{k}}{\sum_{k = 1} G_{k} \cdot \alpha_{k}^{2}} , (23)
где \beta — коэффициент динамичности по рисунку 9 или по формуле, но во всех случаях \beta принимают не менее 0,8 и не более 2,5
K_{s} — сейсмический коэффициент, выбирают в зависимости от района установки аппарата по таблице 3;
\alpha_{i} , \alpha_{k} — относительное перемещение центров тяжестей участков, определяют по формуле (4).
Сейсмический коэффициент K_{s}
| Сейсмичность, балл <*> | 7 | 8 | 9 |
|---|---|---|---|
| K_{s} | 0,1 | 0,2 | 0,4 |
<*> Сейсмичность населенных пунктов — по СНиП 11-7-81 [2].
Рисунок 9. Коэффициент динамичности
6.2. Максимальный изгибающий момент в нижнем сечении аппарата при учете только первой формы колебаний определяют по формуле
M_{max} = \sum_{i = 1}^{z} S_{i} \cdot x_{i} . (25)
6.3. Расчетный изгибающий момент с учетом влияния высших форм колебаний при необходимости устанавливают специальными методами.
В качестве первого приближения расчетный изгибающий момент M_{R} в сечении на высоте x_{0} с учетом влияния высших форм колебаний следует выбирать в зависимости от M_{max} по эпюре рисунка 10.
Рисунок 10. Эпюра для определения изгибающего момента M_{R}
(обязательное)
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТЬ ВЕЛИЧИН
\alpha_{i} (\alpha_{k}) — относительное перемещение центров тяжести i-го (k-го) участка аппарата, 
C_{F} — коэффициент неравномерности сжатия грунта, Н/м3 (кгс/м3)
D_{i} (D_{1},D_{z}) — наружный диаметр i-го (1, z-го) участка аппарата (рисунок 1), м
E — модуль продольной упругости материала при расчетной температуре, Н/м2 (кгс/м2)
G — общий вес аппарата, Н (кгс)
G_{i} (G_{1},G_{2},G_{k},G_{z}) — вес i-го (1, 2, k, z-го) участка аппарата (рисунок 1), Н (кгс)
G_{1} — вес каждого отдельного (из групповых) аппаратов, Н (кгс)
g — ускорение силы тяжести, м/с2
H — высота аппарата (рисунки 1, 3, 10), м
H_{1} , H_{2} , H_{3} — высота 1, 2, 3-го участков аппарата переменного сечения (рисунок 3), м
H_{1} — высота каждого отдельного (из групповых) аппарата, м
h_{1} (h_{1},h_{2},h_{z}) — высота i-го (1, 2, z-го) участка аппарата (рисунок 1), м
I — момент инерции верхнего основного металлического сечения аппарата относительно центральной оси, м4
I_{1} , I_{2} , I_{3} — момент инерции верхнего металлического сечения 1, 2, 3-го участков аппарата переменного сечения относительно центральной оси (рисунок 3), м4
I_{F} — минимальный момент инерции подошвы фундамента, м4
M_{max} — максимальный изгибающий момент в нижнем сечении колонны, Н x м (кгс x м)
M_{R} — расчетный изгибающий момент в сечении на высоте x_{0} от сейсмических воздействий, Н x м (кгс x м)
M_{v} — расчетный изгибающий момент в сечении на высоте x_{0} от действия ветра, Н x м (кгс x м)
M_{vj} — изгибающий момент от действия ветра на обслуживающую j-ю площадку в сечении на высоте x_{0} , Н x м (кгс x м)
m — число площадок над расчетным сечением
n — число участков аппарата над расчетным сечением
P_{i} (P_{1},P_{2},P_{z}) — ветровая нагрузка на i-м (1, 2, z-ном) участке аппарата (рисунок 1), Н (кгс)
P_{idyn} — средняя составляющая ветровой нагрузки на i-м участке, Н (кгс)
P_{ist} — пульсационная составляющая от ветровой нагрузки на i-м участке, Н (кгс)
q_{0} — нормативное значение давления ветра, Н/м2 (кгс/см2)
q_{ist} — нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на середине i-го участка аппарата, Н/м2 (кгс/см2)
S_{i} — сейсмическая нагрузка в середине i-го участка, Н (кгс)
T — период основного тона собственных колебаний аппарата, с
x_{0} — высота расчетного сечения аппарата от поверхности земли (рисунок 1), м
x_{i} (x_{k}) — расстояние от середины i-го (k-го) участка от поверхности земли (рисунок 1), м
x_{j} — высота обслуживающей площадки от поверхности земли, м
\eta_{i} — приведенное относительное ускорение центра тяжести i-го участка аппарата.
(справочное)
1. СНиП 2.01.07-85. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия
2. СНиП 11-7-81. Строительные нормы и правила. Строительство в сейсмических районах.
------------------------------------------------------------------