Цилиндрические резервуары

                                           Цилиндрические резервуары

 

Общие сведения

 

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, линзообразного поперечного сечения и др.) применяют в особых условиях. Большинство емкостных очистных сооружений систем канализации и водоснабжения по форме, конструкции и расчету аналогично резервуарам для воды.

 

В общем курсе железобетонных конструкций  рассматриваются лишь резервуары для  воды - цилиндрические и прямоугольные. Резервуары для нефти и нефтепродуктов, устраиваемые на базах нефтеперерабатывающих  заводов, ТЭЦ и ГРЭС, а также  резервуары для технологических  растворов предприятий химической, металлургической, 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 (таблица XVI.1).

 

Таблица XVI.1: унифицированные параметры  круглых резервуаров для воды

 

Резервуары могут выполняться  монолитными, сборными и сборно-монолитными. В сборных расходуется на 15 - 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 размерам), 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 - В30, марок  по водонепроницаемости W4 - W10, по морозостойкости F100 - F150. Класс бетона принимают, учитывая технологический режим эксплуатации резервуара, воздействия на сооружение окружающей среды (расчетной температуры  наружного воздуха, влажности грунта, агрессивности 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 А-III (допускается А-II и A-I в качестве конструктивной и монтажной) и класса Bp-I и с предварительным напряжением (для цилиндрических стен) классов A-IV - A-VI и Вр-II.

 

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  с плоским покрытием и плоским  днищем. Для поддержания стационарного  теплового режима внутри резервуара покрытия 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.

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 6×6 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).

 

Рис. XVI: цилиндрический монолитный резервуар  с безбалочным покрытием

 

 

Рис. XVI.3: детали сборного цилиндрического  резервуара

 

Вертикальные 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

 

 

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 h = 120 … 200 мм (кратной 20 мм). В резервуарах радиусом R ≥ 12 м внешнюю поверхность стеновых панелей делают цилиндрической, внутреннюю - плоской, а радиусом R ≤ 9 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, сечение стержней которой назначают конструктивно (рис. XVI.4, б).

 

Выпуски арматуры соседних стеновых панелей сваривают между собой, чем обеспечиваются фиксация панелей  в проектном положении и предотвращение усадочных и температурных трещин до обжатия стен предварительно напрягаемой  арматурой.

 

Вертикальную арматуру сборных  стеновых панелей принимают по условиям их прочности и трещиностойкости 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 может быть жестким, исключающим  радиальное перемещение стены и  угловой поворот в кольцевом  пазу днища (рис. XVI.3, б), и подвижным, 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.

 

Стержневую арматуру напрягают  электротермическим способом.

 

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

 

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 упором (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.

Расчет

Жидкость, содержащаяся в резервуаре, оказывает гидростатическое давление на его стены, линейно возрастающее с увеличением глубины. Нормативное  значение этого давления на глубине (l - x) от уровня жидкости (рис. XVI.6, а) pkx. Его расчетное значение:

 

Здесь ρ - плотность жидкости (для  воды ρ = 1); 1,1 - коэффициент надежности по нагрузке.

Гидростатическое давление вызывает в стене кольцевые растягивающие  усилия Nx0. Их значения определяют на основании  равновесия полукольца с высотой  пояса, равной единице (рис. XVI.6, б):

Здесь 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 Nx0 (рис. XVI.6, г).

 

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

 

 

 

 

Рис. XVI.7: к расчету узла сопряжения стены цилиндрического резервуара с днищем

 

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 Mx, 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 возникают изгибающий момент M1 и поперечная сила Q1. Их значения устанавливают из совместности угловых  перемещений краев обеих конструктивных частей по линии их контакта.

 

Перемещения края стены определяют по тем же формулам, что и перемещения  края куполов (см. таблицу XIV.1). Перемещения края днища определяют как перемещения балки (полосы днища единичной ширины), лежащей на грунтовом основании (см. гл. XII).

 

При жестком закреплении стены  в днище с учетом момента M1 и  поперечной силы Q1 окончательные выражения  для определения кольцевых усилий Nx и изгибающих моментов Mx в стене на уровне, находящемся на расстоянии x от днища, имеют вид:

 

 

Здесь Nx0 - кольцевое усилие, вычисленное  для данного уровня стены по формуле (XVII.2); pl - гидростатическое давление внизу стены; s - упругая характеристика стены:

 

 

Из выражения (XVI.4) находим максимальный момент:

 

 

Характерные эпюры для Nx и Мx приведены на рис. XVI.8, а.

 

При подвижном сопряжении сборной  цилиндрической стены с днищем (см. рис. XVI.4, в) вследствие радиального перемещения стены по ее торцу образуется сила трения: Qf = Nμ (XVI.7), где N - нормальное давление по торцу стены от ее массы и примыкающей части покрытия вместе с засыпкой на нем; μ - коэффициент трения стенки о днище, принимаемый равным 0,5.

 

Кольцевые растягивающие усилия в  стенке на уровне x от днища определяются по формуле:

Максимальный момент при этом равен:

 

 

Расположен на расстоянии от днища:

 

 

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

 

 

Рис. XVI.8: к расчету стены цилиндрического  резервуара; эпюры кольцевых усилий и изгибающих моментов

 

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: