Железобетон

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ

; Резервуары для воды строят цилиндрической и при­зматической (прямоугольной в плане) формы, заглуб­ленными (относительно уровня земли) и наземными, Закрытыми (с покрытием) и открытыми. Резервуары бо­лее сложной формы (сферические, торовые, линзообраз - ного поперечного сечения и др.) применяют в особых ловиях. Большинство емкостных очистных сооружена систем канализации и водоснабжения по форме, конст^ рукции и расчету аналогично резервуарам для воды. {

В общем курсе железобетонных конструкций рассмат­риваются лишь резервуары для воды — цилиндрические и прямоугольные. Резервуары для нефти и нефтепродукт тов, устраиваемые на базах нефтеперерабатывающих за^ водов, ТЭЦ и ГРЭС, а также резервуары для техноло^ гических растворов предприятий химической, металлург гической, пищевой промышленности относятся к особым^ комплексам строительства.

Требуемую вместимость резервуаров определяют тех­нологическим расчетом (в системе водоснабжения, кана­лизации, обеспечения производственного процесса и т. д.); форму и габаритные размеры — технико-экономическим анализом возможных конструктивных решений. Опытом установлено, что заглубленные резервуары для воды вместимостью до 2—3 тыс. м3 экономичнее резервуаров круглой формы в плане, а более 5—6 тыс. м3 — резер­вуаров прямоугольной формы.

Стоимость строительства резервуаров и расход стро­ительных материалов существенно зависят от внутрен­ней высоты резервуара и глубины его заложения. С уве­личением высоты возрастает внутреннее давление воды на его стены, а с увеличением глубины заложения воз­растает боковое давление грунта.

В отечественной практике на основании технико-эко­номических исследований унифицированы основные па­раметры всех емкостных сооружений систем водоснаб­жения и канализации. Применительно к резервуарам для воды приняты унифицированные объемы и опти­мальные высоты (табл. XVI.1).

Таблица XVI.1. Унифицированные параметры круглых резервуаров для воды

Резервуары могут выполняться монолитными, сбор­ными и сборно-монолитными. В сборных расходуется на }5—20 % меньше бетона и арматуры, существенно со­кращается продолжительность строительства, чем до­стигается экономический эффект—5—7 % стоимости со­оружения.

Проведена унификация резервуаров не только по ос­новным параметрам (вместимости, габаритным разме­нам), но и по конструктивным решениям; разработана особая номенклатура типовых конструктивных Элемен­тов.

Для стен и днища резервуаров применяют тяжелый бетон классов по прочности на сжатие В15—ВЗО, марок по водонепроницаемости W4—W10, по морозостойкости F100—/450. Класс бетона принимают, учитывая техно­логический режим эксплуатации резервуара, воздействие на сооружение окружающей среды (расчетной темпера­туры наружного воздуха, влажности грунта, агрессивно - : сти грунтовых вод).

Чтобы обеспечить водонепроницаемость, применяе­мый бетон должен быть по возможности наиболее плот­ным, что достигается особым подбором его состава, наи­меньшим водоцементным отношением, а также особо тщательным уплотнением при формовании. Для резер­вуаров рекомендуется применять арматуру: без предва­рительного напряжения класса A-III (допускается A-II и A-I в качестве конструктивной и монтажной) и класса Вр-1 и с предварительным напряжением (для цилиндри­ческих стен) классов A-IV—A-VI и Вр-11.

В соединениях сборных элементов стен рекомендует­ся применять герметики, бетон на расширяющемся це­менте для более плотного заполнения швов и компенса­ции последующих усадочных деформаций бетона сбор­ных элементов.

Чтобы повысить водонепроницаемость резервуаров, их изнутри покрывают цементной штукатуркой, а по­верхность соединений стеновых панелей — торкрет-бето­ном.

Следует избегать заглубления резервуаров ниЖе уров­ня грунтовых вод, поскольку при этом усложняется про­изводство работ (необходимо водопонижение на период возведения), утяжеляется конструкция днища (оно дол­жно воспринимать давление воды снизу), необходимо устройство оклеечной многослойной гидроизоляции ре­зервуара от грунтовых вод.

Заглубленные резервуары обычно выполняют й плос - ким покрытием и плоским днищем. Для поддержания ста ционарного теплового режима внутри резервуара покры»; тия утепляют слоем грунта толщиной 0,5—1 м или эф­фективными утеплителями — ячеистыми бетонами, керамзитом и т. п.

Для доступа людей внутрь резервуара и пропуска вентиляционных шахт в покрытиях устраивают проемы. В днище делают приямок глубиной до 1 м на случай чи­стки и полного опорожнения резервуара.

2. Конструктивные решения

Рассмотрим конструктивные решения унифицирован­ных габаритных схем и типовые конструкции, рекомендо­ванные к широкому применению.

Монолитный резервуар, конструктивная схема кото­рого показана на рис. XVI.1, состоит из плоского безба­лочного покрытия, поддерживаемого колоннами с капи­телями вверху и обратными капителями внизу, гладкой стены цилиндрической формы, плоского безреберного днища. В резервуарах малой вместимости трещиностой­кость стен может быть обеспечена без предварительного напряжения, при вместимости 500 м3 и более предвари­тельное обжатие бетона необходимо. Безбалочное по­крытие отличается малой конструктивной высотой, что обусловливает минимальное заглубление резервуара, имеет гладкую поверхность снизу, что обеспечивает хо­рошую вентиляцию пространства над уровнем содержа­щейся жидкости.

Применялись и другие конструктивные решения мо­нолитных круглых резервуаров: балочные перекрытия по колоннам с шагом 6x6 м и более, купольные покрытия, опертые на стены, днища с откосами от стен внутрь к центру резервуара и др. По ряду причин они уступили место типовым конструкциям.

Конструкции сборных цилиндрических резервуаров приведены на рис. XVI.2—XVI.4.

В конструктивном решении сборных перекрытий (рис. XVI.2) приняты трапециевидные ребристые плиты, укла­дываемые по кольцевым балкам.

Стена резервуара состоит из сборных панелей дли­ной, равной высоте резервуара. Панели устанавливают вертикально в паз между двумя кольцевыми ребрами днища по периметру резервуара (рис. XVI.3, а). Верти-

А-А

•'Рис. XVI.1. Цилиндрический монолит­ный резервуар с безбалочным покры­тием

> 1 — стенка; 2 — люк; 3 —- безбалоч - ное покрытие; 4— колонны; 5 —ка­пители; 6 — днище; 7 — приямок

Рис. XVI.2. Схема сборного покрытия цилиндрического резервуара

— цилиндрическая стенка;

— колонны; 3 — кольцевые балки; 4 — круглая плоская плита; 5 — трапециевидные плиты с ребрами по пери­метру

Рис. XVI.3. Детали сборного цилиндрического резервуара а — конструкция стены; б — жесткое сопряжение стены с днищем; в — подвижное сопряжение стены с днищем; 1 — слой торкрет-бето­на; 2 — кольцевая напрягаемая арматура; 3 — стеновая панель; 4 — днище; 5 — бетон со щебнем мелких фракций; 6 — выравниваю­щий слой раствора; 7 —битумная мастика; 8— асбестоцементный

Раствор

Кальные швы между панелями заполняют бетоном. Пос­ле приобретения бетоном швов прочности не менее 70 % проектной стену снаружи обжимают кольцевой предва­рительно напрягаемой арматурой, которую по окончании процесса натяжения защищают торкрет-бетоном.

Рис. XVI.4. Стеновые панели цилиндрических резервуаров

А — общий вид; б — армирование

Стеновые панели принимают с номинальной шириной 3,14 или 1,57 м (рис. XVI.4,а). При такой ширине по пе­риметру резервуара размещается целое число панелей, равное соответственно D или 2D (где D—диаметр ре­зервуара). Конструктивную ширину панели делают на 140 мм меньше номинальной. Зазор 140 мм заполняют при монтаже бетоном класса не ниже чем класс бетона панелей.

Толщину стеновых панелей назначают в пределах ft=120...200 мм (кратной 20 мм). В резервуарах радиу­сом 12 м внешнюю поверхность стеновых панелей де­лают цилиндрической, внутреннюю — илоской, а радиу­сом м обе поверхности панелей принимают цилин­дрическими (см. рис. XVI.4,а).

В резервуарах предварительно напряженную горизон­тальную рабочую арматуру размещают по внешней поверхности стен (см. рис. XVI.3, а). Стеновые панели ар­мируют двойной сеткой, сечеиие стержней которой наз­начают конструктивно (рис. XVI.4, б). Выпуски армату-
|ры соседних стеновых панелей сваривают между собой, игем обеспечиваются фиксация панелей в проектном по - , ложении и предотвращение усадочных и температурных ^трещин до обжатия стен предварительно напрягаемой 1 арматурой.

Вертикальную арматуру сборных стеновых панелей - принимают по условиям их прочности и трещиностойко - ' сти в период изготовления, транспортирования и монта­жа. В нижней части панелей предусматривают дополни­тельные стержни (см. рис. XVI.4,б), необходимые для восприятия изгибающих моментов (действующих в вер­тикальном направлении), возникающих здесь вследствие взаимодействия стены с днищем. ^ Соединение сборных стеновых панелей с днищем мо - жет быть жестким, исключающим радиальное перемеще - J ние стены и угловой пово - I рот в кольцевом пазу дни - ' ща (рис. XVI.3,6), и под - " вижным, допускающим эти перемещения (рис. XVI.3, б). Зазор между панелями и днищем в пер­вом случае заполняют прочным бетоном на мел­ком щебне, во втором — холодной битумной мас­тикой. Глубину жесткой заделки стеновых панелей в днище определяют рас­четом, но принимают не менее 1,5 толщины стенки.

Натяжение на стены кольцевой предваритель­но напрягаемой высоко­прочной проволочной ар­матуры производят с по­мощью машин. Расстоя­ние между проволочны­ми витками допускается не менее 10 мм.

Рис. XVI.5. Детали стержневой напрягаемой арматуры (при элек­тротермическом способе натяже­ния)

A — расположение арматуры на цилиндрической стене резервуара; б — арматурный элемент; в — кон­струкция анкерного упора; 1 — стена; 2— стержень арматуры; 3 — анкерный упор; 4 — коротыш большого диаметра; 5 — то же, с нарезкой; 6 — стяжной болт; 7—-упорная планка

Стержневую арматуру напрягают электротерми­ческим способом. Коль­цевой стержень членят по

Длине на несколько элементов (рис. XVI.5, а); на концы' каждого стержня приваривают коротыши: один с вин­товой нарезкой, а другой гладкий, сваренный с анкер­ным улором (рис. XVI.5, б). На последнем арматурные элементы соединяют друг с другом (рис. XVI.5, в). В про­цессе электронагрева стержни удлиняются, в этом со­стоянии их удерживают гайками на упорах. По мере остывания длина арматурного кольца сокращается, вследствие этого стена резервуара обжимается, а в ар­матуре образуется растяжение.

Есть и другие способы натяжения кольцевой арма­туры. Расстояние между стержнями арматуры принима­ют 20—25 см. Кольцевую арматуру после натяжения по­крывают несколькими слоями торкрет-бетона, обеспечи­вая защитный слой толщиной не менее 25 мм.

Внутренние поверхности стен резервуара штукатурят до натяжения арматуры, с тем чтобы штукатурка вмес­те со сборными панелями получила обжатие.

3. Расчет

Жидкость, содержащаяся в резервуаре, оказывает гидростатическое давление на его стены, линейно возра­стающее с увеличением глубины. Нормативное значение этого давления на глубине (/—х) от уровня жидкости (рис. XVI.6, a) pkx. Его расчетное значение

Рх = yfPkx = yf? Pl(I— x/l), (XVI. 1)

Где р — плотность жидкости (для воды р=1); 1,1 — коэффициент надежности по нагрузке.

Гидростатическое давление вызывает в стене, кольце­вые растягивающие усилия iV°. Их значения определяют на основании равновесия полукольца с высотой пояса, равной единице (рис. XVI.6,б): ,

N°x = pxR, (XVI.2)

Где R — радиус кольца.

Эпюра кольцевых усилий в стене, отделенной от дни­ща, имеет линейное очертание (рис. XVI.6,в). Под воз­действием кольцевых усилий периметр стены удлиняется и сама стена перемещается в радиальном направлении. Эпюра этих перемещений w повторяет по очертанию эпю­ру №х (рис. XVI.6,г).

Рис. XVI.6. К расчету стены цилиндрического резервуара (стена отделена от днища)

А — вертикальный разрез; б — сеченне в плане (половина кольца); в — эпюра кольцевых

Рнс. XVI.7. К расчету узла со­пряжения стены цилиндричес­кого резервуара с днищем

Растягивающих усилий; г — эпюра радиальных переме­щений стены; 1 — рассматри* ваемое кольцо стены резервуа» ра; 2—уровень жндкостн

При жестком сопряже­нии стены с днищем (в мо­нолитных резервуарах или в Сборных с конструкцией опорного узла по рис. XVI.3, б) радиальные пере­мещения на уровне днища практически равны нулю вследствие ничтожно малой деформируемости днища в своей плоскости. В связи с этим вертикальная образую­щая стены искривляется; в ней возникают изгибаю­щие моменты Мх, действующие вдоль образующей, и со­ответствующие им поперечные силы Qx.

Стена представляет осесимметричную цилиндричес­кую тонкостенную оболочку. В ней, как и в других тон­костенных пространственных системах, изгиб имеет ло­кальный характер.

В зоне местного изгиба справедливо уравнение ;(XIV.23). Решение этого уравнения относительно момен­тов приводит к выражению (XIV.24), относительно пере­мещений w — к выражению (XIV.54).

При жестком сопряжении стены с днищем (рис.

XVI.7) вследствие их взаимодействия в самом узле воз§ никают изгибающий момент М и поперечная сила Qi Их значения устанавливают из совместности угловых пё ремещений краев обеих конструктивных частей по линий их контакта.

Перемещения края стены определяют по тем же фор» мулам, что и перемещения края куполов (см. табл; XIV.1). Перемещения края днища определяют как перё мещения балки (полосы днища единичной ширины), ле жащей на грунтовом основании (см. гл. XII).

При жестком закреплении стены в днище с учето* момента М и поперечной силы Qi окончательные выра жения для определения кольцевых усилий Nx и изгиба ющих моментов Мх в стене на уровне, находящемся на расстоянии х от днища, имеют вид:

(XVI.4;

NX*=N°X — pJfl[e-«'cosq)+ sin q> (1 - s/ї)]; (XVI.3]

Mx = 0,5Plss — s! l j e-v cos ф — e^ sin ф

TOC o "1-3" h z о ^

Где Nx — кольцевое усилие, вычисленное для данного уровня стени

По формуле (XVII.2); pi — гидростатическое давление виизу стены;] s — упругая характеристика стены: j

S = 0,76 VRh (h — толщина стены); (XVI.

Ф—x/s — безразмерная координата. . f

На уровне днища при х=0 значения ф=х/8=0|

E~f = l віпф=0; cos ф = 1. J Из выражения (XVI.4) находим максимальный мої

Мент ^ j

Мтах = Q,5pls* (l-s/l). (XVI.|

Характерные эпюры для Nx и Мх приведены на ри<$ XVI.8, а.

При подвижном сопряжении сборной цилиндрическо] стены с днищем (см. рис. XVI.4,6) вследствие радиаль ного перемещения стены по ее торцу образуется силі трения

Qf = Ni, (XVI.1

Где N — нормальное давление по торцу стеиы от ее массы и прим» кающей части покрытия вместе с засыпкой на нем; ц — козффидї ент трения стенки о днище, принимаемый равным 0,5.

Кольцевые растягивающие усилия в стенке на уровЯв х от днища определяются по формуле

Nx = N°x-2(R/s)Qf е-^совф. (XVI.$

Максимальный момент при этом равен:

Мх, таx=QfSe ® sin ф расположен на расстоянии от днища

(XVI.10)

На рис. XVI.8, б показаны эпюры Nx и Мх при под­вижном сопряжении стены с днищем.

В)

\ <

Рис. XV1.8. К расчету стены цилиндрического резервуара; эпюры кольцевых усилий и изгибающих моментов

А — сопряжение стены с днищем жесткое; б — то же, подвижное

Заглубленные резервуары рассчитывают на внутрен­нее гидростатическое давление для периода испытания, ремонта, когда обсыпки нет, и на давление боковой об­сыпки при опорожненном резервуаре. Для восприятия изгибающих моментов в зоне, примыкающей к днищу, устанавливают дополнительную вертикальную арматуру, согласно эпюрам рис. XVI.8.

Горизонтальное давление на стены от грунта можно определять по указаниям § XVI.7.

Площадь сечения кольцевой арматуры стены опреде­ляют как в центрально-растянутом элементе отдельно для каждого пояса высотой 1 м (начиная от днища, по наибольшему значению кольцевого усилия в данном по­ясе) по формуле

A's — NxtRs. (XVI. 11)

Расчет по образованию трещин предварительно на­пряженных стен резервуаров производят по указаниям гл. VII. Стены резервуаров относятся к конструкциям 1-й категории требований к трещииостойкости.

(XVI. 9)

Площадь сечения вертикальной арматуры стен опре­
деляют как в изгибаемой плите, отдельно от действи внутреннего гидростатического давления и от наружно обсыпки. Ее расчетное количество устанавливают в ниж-і ней части стены с защитным слоем 1,5 см; выше преду­сматривают конструктивное армирование.

К расчету и конструированию покрытий и колонн ре­зервуаров особых требований не предъявляется. В обыч­ных условиях (при отсутствии подпора грунтовых вод)' вес днища и жидкости над ним уравновешивается отпо­ром грунта, не вызывая изгиба днища. Лишь на участ­ках, примыкающих к стене и фундаментам колонн, в днище возникают местные изгибающие моменты. В этих местах предусматривают особое армирование, в осталь­ной части арматуру ставят конструктивно. Днища, как правило, выполняют монолитными.