Тюменский индустриальный

ЧЕПУР П.В., ТАРАСЕНКО А.А., ЭСИЕВА К.А.
 
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ РЕЗЕРВУАРА 
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛИНЕЙНО-СПЕКТРАЛЬНОГО МЕТОДА 
Чепур П.В., канд. техн. наук., [e-mail],  
Тарасенко А.А., д-р. техн. наун, профессор, [e-mail] 
Эсиева К.А., обучающаяся, [e-mail], 
г. Тюмень, Тюменский индустриальный университет 
Аннотация.
Работа посвящена исследованию сейсмостойкости вертикального стального 
резервуара РВС-20000 с учетом отклика системы «фундамент–резервуар–жидкость», 
выполненному на основе метода конечных элементов, модального анализа и линейно-
спектральной теории.
На территории РФ к наиболее сейсмоопасным зонам относятся Кавказ и Дальний 
Восток, где эксплуатируются крупные нефтехранилища. Так как деятельность 
отечественных нефтяных компаний осуществляется по всему миру, где нередко 
происходят разрушительные землетрясения, то исследования по совершенствованию 
методик расчета сейсмоустойчивости резервуаров являются особенно востребованными. 
В данной работе получены зависимости максимальных напряжений в 
металлоконструкциях от величины налива нефти при землетрясениях в 7-9 баллов и 
участки с максимальными значениями действующих напряжений.
Ключевые слова:
сейсмостойкость, модальный анализ, спектр ответа, резервуар, 
ANSYS. 
Проблема сейсмоустойчивости вертикальных стальных резервуаров 
для хранения нефти, является актуальной уже давно. Учёт конвективной и 
импульсивной составляющих жидкости, конструкций резервуара, нагрузок 
и параметров грунта при расчете сейсмостойкости РВС является сложной 
научной 
задачей. 
Линейно-спектральный 
метод 
расчета 
на 
сейсмостойкость позволяет привести линейную динамическую систему с N 
степенями свободы к N независимым системам с одной степенью свободы. 
Предварительно для анализа сейсмостойкости был выполнен модальный 
анализ с целью определения собственных частот и форм колебаний 
конструкции, что позволит определить с помощью спектров ответа 
величину ответной реакции приведенных систем с одной степенью 
181 

---

свободы, ответные ускорения, инерционные силы и перемещения в 
исходной системе. 
С использованием ANSYS геометрическая модель резервуара была 
разработана и верифицирована авторами в [5], а также подтверждена 
достоверность проведенных расчетов. Далее была проведена ее 
оптимизация и экспорт в модули «Modal» и «Response Spectrum». В данной 
работе система «резервуар-жидкость-фундамент» рассматривается как 
единая система, так как в работах авторов [6-7] доказано, что не допустимо 
упрощение верхнего узла резервуара, поскольку искажается реальная 
жесткость сооружения и результаты не согласуются с реальными 
наблюдениями.
Рассмотрим основные этапы модального анализа РВС-20000. 
– 
Разработана геометрическая модель РВС-20000; 
– 
В модели заданы свойства материалов: резервуарной стали, нефти; 
металлоконструкции моделируются конечными элементами SHELL181, 
BEAM188, SOLID186, хранимая в резервуаре нефть моделируется 
тетраэдрическими элементами FLUID80;
– 
Расчет производится для пяти случаев наполнения РВС: опорожненного, 
заполненного на 1/3, 1/2, 2/3 и до верхнего уровня; 
– 
Граничные условия учитывают упругое железобетонного фундаментного 
кольца и листов центральной части днища по нижней плоскости; 
– 
Контакт стенки и днища с жидкостью задается с учетом параметров 
проскальзывания – «no separation». 
На Рис. 1 приведены результаты расчета наиболее показательных 
собственных частот колебаний РВС-20000, полностью заполненного до 
проектной отметки. Всего расчетах определялось 400 мод. 
а) 
б) 
в) 
г) 
Рис. 1. Эпюры деформаций полностью заполненного РВС-20000, а, б, в, г – 
соответственно первая, вторая, шестая и тринадцатая формы колебаний с собственной 
частотой, равной соответственно 0,66; 1,14; 1,87; 2,43 Гц 
182 

---

В таблице 1 приведены результаты расчета собственных частот для 
трех случаев заполнения РВС для первых 10 форм колебаний. 
Таблица 1 
Результаты расчета собственных частот колебаний РВС-20000 
Заполнение
РВС
Частота
колебаний, Гц 
№ моды колебаний 
I 
II 
III 
IV 
V 
VI 
VII 
VIII 
IX 
X 
Опорожненный
0,16 
0,19 
0,23 
0,28 
0,31 
0,38 
0,41 
0,51 
0,64 
0,7 
Заполнен на 2/3
0,62 
1,31 
1,34 
1,61 
1,64 
1,79 
2,15 
2,3 
2,5 
2,6 
Полностью 
заполнен 
0,66 
1,14 
1,2 
1,42 
1,45 
1,87 
1,96 
2,13 
2,29 
2,35 
Для проведения линейно-спектрального анализа сейсмического 
воздействия было выполнено сложение откликов и использован метод 
комбинации мод SRSS (Square Root of Sum of Squares). Для задания 
внешнего сейсмического воздействия использованы обобщенные 
широкополосные сейсмические спектры ответа, рекомендованные в работе 
[4]. Для районов с сейсмичностью 6 баллов и ниже сейсмические нагрузки 
учитывать не требуется [3]. Логарифмический декремент колебаний 
принят равным δ
з
= 0,31 для стальной сварной конструкции согласно [1]. 
Значение вертикальной компоненты ускорения уменьшается на 
коэффициент 0,67 от значений горизонтальных компонент X, Y в 
соответствии с [2]. 
Результаты расчета, выполненные в ANSYS «Response Spectrum», 
показали, что полное заполнение является наиболее опасным. Так, при
9-
балльном воздействии по шкале MSK-64, появляются недопустимые 
напряжения в 6-8 горизонтальных поясах стенки, достигающие величин 
420 МПа (Рис. 3). Предел текучести резервуарной стали 09Г2С σ
т
= 
325 
МПа. 
Рис. 2. Распределение эквивалентных напряжений в конструкциях полностью 
заполненного РВС-20000 при 9-балльном землетрясении 
В опорожненном РВС-20000 действующие эквивалентные 
напряжения в конструктивных элементах не превышают величины 38 МПа 
даже при землетрясении в 9 баллов. Получены зависимости максимальных 
183 

---

напряжений от величины налива нефти при землетрясениях в 7-9 баллов 
(Рис. 3).
Рис. 3. Зависимости макс. напряжений в нейтральном слое стенки от высоты налива 
нефти при сейсмических воздействиях магнитудой 7-9 баллов 
Анализируя полученные результаты, сделаны следующие выводы: 
1. 
Применение метода линейно-спектрального для оценки 
сейсмического воздействия на крупногабаритные вертикальные стальные 
резервуары является наиболее оптимальным при решении практических 
задач, т.к. в нем учитываются параметры собственных колебаний 
жидкости и самой конструкции РВС, задействовано максимально 
возможное число спектров воздействия (по данным реально 
происходивших землетрясений). Это позволяет моделировать наиболее 
неблагоприятные случаи землетрясений в соответствии с нормативными 
документами [1-3] 
2. 
Максимальные действующие напряжения в металлоконструкциях 
РВС-20000 дислоцированы в зонах 5-8 поясов стенки резервуара. В 
отличие от РВСПК-50000 с плавающей крышей, где при сейсмическом 
воздействии максимальный уровень напряжений находится на высоте 1-2 
поясов, в настоящей работе резервуар со стационарной крышей имеет 
другие параметры жёсткости. Это подтверждает утверждение авторов [5], 
согласно которому, при расчете НДС в неосесимметричной постановке, 
упрощение геометрии верхнего узла резервуара недопустимо. 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
1. 
Федеральные нормы и правила в области использования атомной 
энергии: НП 031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных 
станций»: утв. пост. ГГТН РФ от 19.10.2001 № 9. 
2. 
Строительство в сейсмических районах. Актуализированная 
редакция СНиП II-7-81. Свод правил: СП 14.13330.2014.
184 

---

3. 
Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных 
цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов : СТО 
СА 03-002-2009 – Москва : Ростехэкспертиза, 2009. – 331 с.
4. 
Синельщиков, А. В. Математическая модель сейсмических 
спектров ответа для проектных основ сооружений с крановыми нагрузками 
/ А. В. Синельщиков, Н. Н. Панасенко, Л. С. Синельщикова // Вестник 
Астраханского государственного технического университета. - 2012. - № 1. 
- 
С. 66-74.
5. Tarasenko, A. Study of Deformations in a Large-Capacity Oil Storage 
Tank in the Presence of Subgrade Inhomogeneity Zones / A. Tarasenko, P. 
Chepur, A. Gruchenkova // MATEC Web of Conferences, 2016. - 
Р. 10-25. 
6. Vasilyev, G. G. Seismic analysis of vertical steel tanks RVSPK-50000 
using a linear-spectral method / G. G. Vasilyev, A. A. Tarasenko, P. V. Chepur, 
G. Youhai // Neftyanoe Khozyaystvo. - 2015. - 
РР. 120-123. 
7. GUAN Youhai. HUANG Sining, ZHANG Rulin / GUAN Youhai, A. 
A. Tarasenko // World Information on Earthquake Engineering. Vol. 32 No. 1 
Mar. 2016. - 
РР. 219-227. 
УДК 628.1