Zbiorniki powłokowe z blach cienkich stanowią ważne zastosowanie konstrukcji stalowych. Główne obszary zastosowań są związane przede wszystkim z rodzajem materiału składowanego w zbiorniku, stąd wyróżniamy: zbiorniki na ciecze, na gazy i na materiały sypkie. Współcześnie, najczęściej stosowane są konstrukcje zbiorników zestawione w tab.1. Tab.1. Typy zbiorników wg konstrukcji dachu (opracowano na podstawie [1]) Spis treści ukryj 1 Wprowadzenie 1.1 Definicje 2 Koncepcja i wstępne obliczenia zbiorników 2.1 Założenia do analizy zbiorników powłokowych 2.2 Zbiornik walcowy 2.3 Zbiornik sferyczny 2.4 Uwagi do obliczeń wstępnych zbiorników powłokowych 2.5 Zaburzenia brzegowe 2.5.1 Opis zjawiska i rozwiązanie zadania 2.5.2 Zaburzenia brzegowe, a projektowanie zbiorników 2.6 Typy analiz i mechanizmy zniszczenia konstrukcji zbiorników 2.6.1 Typy analiz powłok 2.6.2 Stany graniczne powłok 2.6.3 Warunki brzegowe a niestateczność powłoki 2.7 Imperfekcje a niestateczność powłoki 2.8 Klasy wytwarzania zbiornika 2.8.1 Tolerancje wykonania zbiornika 2.8.2 Tolerancje dotyczące wgłębień 3 Zbiorniki na ciecze 3.1 Zbiorniki na produkty naftowe 3.1.1 Zbiorniki z dachami pływającymi 3.1.1.1 Wprowadzenie 3.1.1.2 Procedura projektowania dachu pływającego 3.2 Zbiorniki na wodę 3.2.1 Zbiorniki kroplokształtne 3.2.2 Cylindryczne zbiorniki poziome 3.2.3 Wieże ciśnień 4 Projektowanie zbiorników według Eurokod 4.1 Zasady ogólne 4.1.1 Klasy konsekwencji zbiorników 4.1.2 Naddatki korozyjne a grubość blach płaszcza 4.1.3 Obciążenia zbiorników 4.1.3.1 Obciążenie wiatrem 4.1.4 Stany graniczne zbiorników 4.2 Norma projektowania zbiorników PN-EN 1993-4-2 4.2.1 Uproszczona metoda projektowania zbiorników 4.2.1.1 Płaszcz zbiornika 4.2.1.2 Pierścienie usztywniające 4.2.1.3 Otwory w płaszczu zbiornika 4.2.1.4 Dach stały 4.2.1.5 Dno zbiornika 4.2.2 Stateczność ogólna i zakotwienie zbiorników 4.3 Metoda ogólna projektowania zbiorników 4.3.1 Smukłości względne powłoki 4.3.2 Długości względne powłoki 4.3.3 Naprężenia krytyczne idealnej powłoki 4.3.3.1 Powłoka ściskana południkowo 4.3.3.2 Powłoka ściskana obwodowo 4.3.3.3 Powłoka ścinana 4.3.4 Nośność powłoki z uwzględnieniem niestateczności 4.3.4.1 Charakterystyczne naprężenia wyboczeniowe 4.3.4.2 Obliczeniowe naprężenia wyboczeniowe 4.3.5 Redukcyjne współczynniki niestateczności 4.3.6 Ściskanie południkowe . Parametry wyboczenia 4.3.6.1 Parametr impefekcji αx przy ściskaniu południkowym 4.3.6.2 Ściskanie południkowe z ciśnieniem wewnętrznym 4.3.7 Ściskanie obwodowe. Parametry wyboczenia 4.3.8 Ścinanie. Parametry wyboczenia 4.3.9 Interakcja ściskania południkowego, obwodowego i ścinania 4.4 Metoda numeryczna globalna LBA 4.4.1 Podstawowe definicje 5 Montaż zbiorników stalowych 6 Przykłady rachunkowe 6.1 Przykład 1 Powłoka zbiornika na ciecz 6.1.1 Dane podstawowe 6.1.2 Zredukowane wysokości cieczy 6.1.3 Naprężenia obwodowe σθ od ciśnienia cieczy i gazu 6.1.3.1 Sytuacja S1 6.1.3.2 Sytuacja S2 Wprowadzenie Stalowe konstrukcje powłokowe podlegają przepisom normy [2], chociaż są trzema odmiennymi rodzajami budowli, dla których opracowano przepisy szczegółowe: kominy [3], silosy [4], zbiorniki [5]. Normy Euorokod wprowadziły istotną, w stosunku do tradycyjnego ujęcia zagadnień projektowania kominów, silosów i zbiorników wspólną metodologię sprawdzania warunków wytrzymałości i stateczności w oparciu o jednolite podejście dla tych wszystkich konstrukcji powłokowych. Obszerny komentarz do obliczania i wymiarowania konstrukcji powłokowych dano w pracy [6]. Zbiorniki stalowe były przedmiotem wielu prac, a między innymi: [7], [8], a także [9] i innych, a także przedmiotem wielu norm, a m.in. [10] i [11]. Najważniejsze konstrukcje zbiorników powłokowych, to: zbiorniki kuliste na gaz (rys.1), zbiorniki cylindryczne pionowe (rys.2), zbiorniki cylindryczne poziome (rys.3). Występują jeszcze zbiorniki powłokowe o innym kształcie, jak np. zbiorniki kroplokształtne (rys.4) lub wieże ciśnień ze zbiornikiem torusem (rys.5) Wspólną cechą zbiorników powłokowych jest zakrzywienie powłoki w taki sposób, by powłokę dostosować do pojawienia się sił błonowych (tylko rozciągających) i minimalizowanie (unikanie) zginania powłoki, które prowadziłoby do nieoptymalnego projektu ze względu na nadmierne zużycie materiału. W tym świetle zbiorniki z płaskimi ścianami nie będą optymalne, ponieważ ich wytężenie jest wywołane głównie zginaniem. Zbiorniki powłokowe ciśnieniowe (ang thin wall pressure vessels (TWPV)) są najczęściej stosowane w przemyśle do składowania i transportu cieczy oraz gazów . Stosowane są również jako elementy pojazdów drogowych, morskich i powietrznych. Osobną grupę stanowią zbiorniki na materiały sypkie, czyli silosy – tą grupą zbiorników nie będziemy zajmować się w tym artykule. Definicje Przyjmuje się następujące definicje, dotyczące zbiorników walcowych: powłoka – cienka ścianka zbiornika (inaczej: płaszcz, pobocznica, pancerz) ogólnie – konstrukcja uformowana z cienkiej, zakrzywionej blachy powłoka obrotowa – powłoka, która powstała przez obrót tworzącej wokół osi centralnej, kierunek południkowy – kierunek stycznej., leżącej w płaszczyźnie pionowej, kierunek obwodowy – kierunek stycznej., leżącej w płaszczyźnie poziomej, zbiornik – naczynie do przechowywania produktów w stanie ciekłym lub gazowym, smukłość powłoki walcowej o promieniu $r$ oraz grubości powłoki $t$ $$begin{equation} lambda_r =cfrac{r}{t} label {1} end{equation}$$ gdzie $r=R-t/2$ – promień powłoki w środku grubości ścianki (promień podziałowy) – rys. 6. W przypadku zbiorników o innych niż walcowy kształtach definicje należy odpowiednio zmodyfikować Koncepcja i wstępne obliczenia zbiorników Uzyskanie szybkich wyników, przydatnych w projektowaniu wstępnym jest możliwe, jeśli spełnione są następujące zasady : geometria i obciążenia zbiornika powinny być wyjątkowo proste i dostosowane do kształtów optymalnych (p. rys.1,2,3), lokalne zaburzenia geometrii i obciążeń powinny być minimalizowane i sprowadzane wyłącznie do swobodnych brzegów oraz podparcia powłoki. W tych warunkach ściany zbiornika powłokowego powinny pracować jak błona. Oznacza to, że na praktycznie całej powierzchni powłoka nie powinna być obciążona zginaniem, a odstępstwo od tej zasady może być dopuszczone wyłącznie lokalnie. Zachowanie powyższych zasad jest receptą na uzyskanie optymalnego projektu zbiornika powłokowego. W tym celu, zależnie od wywieranego ciśnienia należy dobierać optymalny kształt powłoki zbiornika. Sfera (rys.1) jest optymalną geometrią w przypadku równomiernego (wszechstronnego) wewnętrznego ciśnienia gazu) . Cylindryczny zbiornik (rys. 2 lub 3) jest nieco mniej efektywny z dwóch powodów: ( 1 ) na ścianie naprężenia zależą od kierunku ( 2 ) zamknięcia denne może znacznie zaburzać idealny stan membrany, co wymaga prowadzenia dodatkowych lokalnych wzmocnień. Jednak kształt cylindryczny może być bardziej wygodny do wytwarzania i transportu. Założenia do analizy zbiorników powłokowych Założenia w analizie zbiorników powłokowych, można sprowadzić do dwóch fundamentalnych: 1) o cienkościenności powłoki, 2) o symetrii geometrii i obciążeń. To właśnie te założenia prowadzą do prostej teorii błonowej. Założenia teorii błonowej wraz z wynikającymi z nich wnioskami zilustrowano na rys. 6 na przykładzie zbiornika cylindrycznego o promieniu R i grubości powłoki t, z którego wzięto wycinek powłoki dx × dθ: dla r=R (na powierzchni zewnętrznej wolnej od obciążeń w punkcie A) : σrr = τrx = τrθ =0, dla r=R-t (na powierzchni wewnętrznej w punkcie B): nie działają naprężenia styczne, więc σrr = −p, τrx = τrθ =0, dla r ∈ [R − t, R] (wewnątrz ścianki): powłoka jest cienka, więc τrx = τrθ = 0, […]