Железобетонные емкостные сооружения
В различных отраслях промышленности и городского хозяйства применяются емкостные сооружения из железобетона — сборного и монолитного. Конструкции этих сооружений в значительной степени унифицированы. Для емкостных сооружений, в частности, разработана серия рабочих чертежей унифицированных изделий 3. 900-3, предназначенных для применения в типовых и индивидуальных проектах следующих емкостных сооружений водоснабжения и канализации резервуаров для воды, горизонтальных отстойников, аэротенков, горизонтальных отстойников, смесителей, нефтеотделителей, нефтеловушек, контактных резервуаров, радиальных отстойников и т. д. Они могут быть прямоугольными и цилиндрическими, открытыми и закрытыми, заглубленными и наземными.
Размеры унифицированных прямоугольных и круглых в плане емкостных сооружений приняты, как правило, кратными 3 м, а по высоте 0,6 м (но при длине или диаметре до 9 м) — кратными 1,5 м для прямоугольных и 1 м для круглых. Например, для нефтеотделителей и нефтеловушек принята унифицированная высота 2,4 м, ширина 12, 18, 24 м, длина 18, 24, 30, 36 м (для нефтеотделителей только 36 м). Для радиальных отстойников принята унифицированная высота 3, 3,6, 4,2 м при внутренних диаметрах 18, 24, 30 м, а также диаметр 40 м (при высоте 3 и 4,2 м) и диаметр 50 м (при высоте 5,4 м). Днище всех емкостей выполняют из монолитного железобетона толщиной не менее 120 мм с двойной арматурой, стены и покрытие — из сборных железобетонных плит.
Прямоугольные закрытые емкости наиболее широко представлены резервуарами для воды и имеют ширину 6, 12, 18, 24 , 36 и 54 м. Длина резервуаров может быть различной. В типовых проектах емкость прямоугольных резервуаров составляет от 50 до 20 000 м3.
По конструктивным решениям и номенклатуре применяемых изделий резервуары выполняют нескольких типов: с использованием массовых изделий для промышленного строительства и с применением более эффективных типовых конструкций, предназначенных специально для резервуаров. На рис. 12.1... 12.3 представлены резервуары трех типов: с плоскими стеновыми панелями и рительным покрытием из типовых конструкций для промышленных зданий (рис. 12.1); с плоскими стеновыми панелями и безригельным покрытием из ребристых плит (рис. 12.2); со стеновыми панелями с опорной пятой и безригельным покрытием (рис. 12.3) из ребристых плит. Панели соединяются путем сварки закладных деталей с последующим замоноличиванием узких шпоночных стыков (шириной 20 мм). В местах сопряжения стен устанавливают объемные (угловые) блоки. С днищем стены сопрягаются посредством щелезого монолитного паза. Днище резервуаров выполняют плоским толщиной 140 мм. Нагрузка от колонн передается на днище через сборные фундаменты стаканного типа, имеющие уширенную опорную часть размером 2,4 Х 2,4 м. Днище армируют стандартными арматурными сетками (рулонными и плоскими). Такие резервуары строят в районах с широким использованием изделий для промышленных зданий и небольшим объемом возведения таких сооружений.
Прямоугольные открытые емкости (заглубленные и наземные) широко применяются для различных сооружений. Например, на рис. 12.4 представлено конструктивное решение сборного аэротенка из жeлeзoбeтoнных панелей. Панели армируют двойной арматурой в виде плоских сеток. Угловые участки в местах пересечения стен могут выполняться как сборными, так и монолитными, причем панели стен (шириной 3 м, высотой 2,4...6 м, толщиной 140...320 мм) могут быть балочного и консольного типа (рис. 12.4, а, б). Глубина заделки панелей в паз монолитного днища принимается по расчету, в зависимости от диаметра вертикальной рабочей арматуры, с учетом достаточной длины ее анкеровки. Расчетную нагрузку на стены принимают равной гидростатическому давлению воды, залитой до верха стен, а в стадии эксплуатации уровень жидкости должен быть ниже верха на 0,2 м. Этот уровень используют в расчетах по образованию и раскрытию трещин.
В цилиндрических емкостях применяют аналогичное конструктивное решение, только внешняя поверхность панелей (а при диаметре емкости до 9 м — и внутренняя) принята криволинейной. Подобные емкости армируют кольцевой напрягаемой арматурой, причем натяжение производится до замоноличивания стыка стеновых панелей с днищем, но после замоноличивания стыков между стеновыми панелями и достижения бетоном замоноличивания прочности не менее 70 % от проектной. Шаг между витками напрягаемой арматуры определяют расчетом. При подборе количества арматуры и величины ее натяжения необходимо предусматривать создание в бетоне установившихся (после проявления всех потерь) сжимающих напряжений не менее 0,5 МПа (в нижней зоне стены на 1/3 высоты емкости — не менее 0,8 МПа), при гидростатическом давлении слоя воды, равного полной высоте стены емкости. Высота панелей принимается кратной 0,6 м, ширина — кратной числу «пи» (3,1416), толщина — равной 120... 195 мм. В процессе монтажа их устанавливают с зазорами, чтобы облегчить заполнение швов бетоном замоноличивания. Каждый слой напрягаемой арматуры защищают слоем цементно-песчаного раствора, наносимого путем торкретирования. Защитный слой наносят при наполненном резервуаре, чтобы избежать впоследствии появления в нем трещин. Для заглубленных сооружений толщина этого защитного слоя составляет 24 мм, для открытых наземных — 50 мм.
Конструкция покрытий резервуаров. Резервуары для воды (так же как и некоторые другие емкости, например горизонтальные отстойники систем водоснабжения, приемные камеры теплой и охлажденной воды) обычно выполняют закрытыми т. е. с покрытиями. В качестве опор покрытий используют стены и колонны. Чаще всего применяют сборные покрытия балочного типа — ребристые плиты по ригелям, опирающимся на колонны (см. рис. 12.1). Для круглых в плане резервуаров для унифицированных объемов 100...6000 м3 иногда устраивают безбалочное покрытие, опирающееся на колонны с капителями (рис. 12.5). Покрытия с опиранием только на стены решаются аналогично покрытиям промышленных зданий.
Для круглых в плане резервуаров при наличии промежуточных стенок - перегородок покрытия могут быть решены в виде купола. Купольное покрытие из монолитного железобетона по затрате материалов является наиболее экономичным, однако при возведении требует сложной опалубки. На рис. 12.6 показан цилиндрический резервуар для воды вместимостью 45 000 м3, диаметром 62,2 м, высотой 12,2 м, толщиной стенки до 0,6 м у основания, до 0,3 м вверху. Для уменьшения высоты стенки днищу придана форма усеченного конуса.
Конструкция днища и стыка со стенкой резервуара. Конструкция днища тесно связана с конструкциями покрытия. Так, при наличии колонн днище будет загружено их реактивным давлением, причем его толщина и армирование определяются расчетом. При отсутствии промежуточных опор изгибающие моменты возникают только у мест примыкания днища и распространяются на небольшие зоны.
Конструкция стыка покрытия и днища со стенкой часто принимается скользящей. Обеспечивая свободу радиальных деформаций стенки в местах сопряжения, такая конструкция позволяет осуществить плотное обжатие стенок по всей высоте, включая зоны, прилегающие к опорным элементам. При этом для скользящих прокладок используют резину, неопрен и другие материалы. В качестве примера на рис. 12.7 показан открытый предварительно напряженный резервуар вместимостью 35 000 м3 для систем водоснабжения. Диаметр резервуара около 85 м, высота 5,2 м. Днище резервуара в форме усеченного конуса опирается на скалистые отложения, расположенные на 2,4 м ниже нулевой отметки и выполнено из сборных железобетонных плит. При замоноличивании плит в швы укладывали медные пластинки, затем швы заполняли битумной мастикой. При установке плит стен между ними составляли зазоры шириной 300 мм, которые армировали и замоноличивали. Для повышения плотности швов осуществляли предварительное напряжение участков стенки по 12 панелей р каждом. По окончании замоноличивания и обжатия на внешнюю поверхность стенки дополнительно навивали напрягаемую арматуру.
Современные тенденции в развитии конструктивных решений емкостных сооружений. За последние годы получили распространение конструкции емкостей с предварительным напряжением в двух и трех направлениях, конструкции с заделкой стыков напрягающем цементе, конструкции из новых разновидностей железобетона — армоцемента, фибробетона — и ряд других прогрессивных конструктивных решений.
Конструкции с многоосным предварительным напряжением. Многоосное предварительное напряжение значительно повышает трещиностойкость и, как следствие, водонепроницаемость резервуаров. На рис. 12.8 показан разрез одного из резервуаров воды (Франция). Каждый резервуар вместимостью 47 ООО мэ представляет собой цилиндрическую емкость внутренним диаметром 82 м и рассчитан на давление воды высотой 9 м. Стеновые панели толщиной 35 см опираются на балку кругового (в плане) очертания сечением 0,87 0,98 м. Между монолитным днищем и верхним концом свай, служащих основанием резервуара, уложены неопреновые прокладки, позволяющие емкости свободно расширяться. Днище резервуара подвергнуто предварительному напряжению в двух направлениях. Опорная балка кругового очертания также подвергнута предварительному напряжению. Покрытие резервуара — плоская плита толщиной 180 м. с предварительным напряжением в двух направлениях (сетка пролетов с ячейкой 2,25 X 2,25 м).
Стыки элементов емкостных сооружений на напрягающем цементе. Для заделки стыков сборных конструкций резервуаров, а также отстойников, фильтров и других емкостных сооружений систем водоснабжения и канализации широко применяют напрягающий цемент. Стыки стеновых панелей, стеновых панелей с плитами днища и плит днища выполняют соединением арматуры с помощью петлевых выпусков, целиком исключающих сварку. В прямоугольных в плане сооружениях при соединении элементов предпочтение отдается также петлевым стыкам арматуры как наиболее простым. В результате применения для заделки стыков напрягающего цемента удалось полностью отказаться от навивки высокопрочной проволоки на круглые в плане различной высоты полносборные сооружения диаметром от 6 до 30 м. Сборные плиты днища принимают площадью 6...8 м2 (в некоторых случаях при соответствующем обосновании допустимо укрупнение до 12...15 м2); дальнейшее увеличение площади существенного влияния на сокращение трудозатрат не оказывает, а расход стали и бетона возрастает в результате повышения монтажных наг рузок от собственного веса. В настоящее время созданы стеновые панели массой 12...18 т, площадью до 36 м2, толщиной 160 мм и более. На рис 12.9 показана конструкция отстойника со стыками на напрягающем цементе. Стены отстойника диаметром 30 м выполнены из 35 однотипных элементов. Однотипность позволяет упростить опалубку для изготовления изделий. Масса каждого элемента стен отстойников — 10 т. Применение крупногабаритных изделий способствует повышению качества строительства, снижает трудоемкость монтажа.
Резервуары из армоцемента. Для возведения резервуаров в последние годы стали применять также разновидность железобетона — армоцемент, состоящий из мелкозернистого бетона, армированного тонкими сварными сетками (см. § 10.6). Разработаны подобные резервуары вместимостью до 50 м3 в форме однополостного гиперболоида вращения. Изготовление резервуаров заключается в сварке арматурного каркаса, натяжении на него тканых сеток и последующего нанесения мелкозернистого бетона. Опалубки при этом не требуется. Толщина стенок резеовуаров принята равной 25 мм, бетон класса В30. На такие резервуары расходуется в шесть раз меньше металла, чем на стальные, а стоимость их в 1,5 раза ниже. По сравнению с железобетонными такие резервуары значительно легче и требуют в 5...6 раз меньше бетона.
В ПНР предложены открытые армоцементные резервуары гиперболической формы вместимостью до 25 м3, с толщиной стенки 25 мм, армированные ткаными сетками, а также проложенными между ними отдельными стержнями диаметром 4 мм, и закрытые эллипсоидные вместимостью 100 м3. Разработан также проект водонапорной башни вместимостью 150 м3, высотой 21,8 м, состоящей из ствола кольцевого сечения диаметром 2,6 м и шести вертикально подвешенных к нему резервуаров диаметром 2,5 м каждый и вместимостью 25 м3. Стены резервуаров толщиной 165 мм имеют наружный и внутренний армоцементные слои толщиной 15 мм, армированные ткаными сетками, а также № 10— 1 и внутреннюю бетонную прослойку, армированную сеткой с ячейкой 100 х 100 мм из проволоки диаметром 4 мм.
Принципы расчета емкостных сооружений. Расчет стенки обычно производится для наиболее опасных схем загружения: а) емкость пустая и обсыпана землей (эксплуатационный случай); б) емкость наполнена, а обсыпка отсутствует (случай испытания резервуара); в) посекционное заполнение емкости жидкостью. Иногда учитывается неравномерное температурное воздействие. Расчет по первой схеме производится как для основного сочетания нагрузок, по второй схеме — как для особого сочетания нагрузок. Давление обсыпки определяется по той же методике, что и для подпорных стен (см. § 12.4). По третьей схеме гидростатическое давление жидкости р, действующее на стенки, на глубине у от поверхности, приходящееся на единицу площади, определяется по формуле
Найденные таким путем кольцевые растягивающие усилия должны быть восприняты арматурой. Для подбора арматуры обычно разбивают стенку по высоте на зоны. Если конструкция резервуара принимается разрезной, то в вертикальном направлении стенка работает только на центральное сжатие под действием нагрузок, передающихся с покрытия. При резервуарах объемом более 500 м3 необходимо учитывать силы трения между стенкой и днищем. Если стенка для увеличения жесткости с днищем соединяется монолитно, то вследствие предварительного напряжения возникают значительные изгибающие моменты в вертикальном направлении, особенно в месте сопряжения днища со стенкой, которые необходимо учесть расчетом. В стенке подбор сечений бетона и арматуры производится; в горизонтальном направлении — по несущей способности и трещиностойкости, как для центрально растянутого элемента; в вертикальном направлении — только по несущей способности (как для сжатого элемента). При расчете трещиностойкости надо учитывать потери от упругого обжатия при навивании проволоки.
При отсутствии подпора грунтовых вод днище рассчитывают на действие давления стенок резервуара и внутренних колонн покрытия. При наличии подпора грунтовых вод конструкцию рассчитывают при незаполненном резервуаре на вертикальное давление воды, направленное снизу вверх. Кроме того, незаполненный резервуар в целом проверяют на всплытие. При этом вес конструкций умножают на коэффициент надежности по нагрузке. Покрытия резервуаров рассчитывают аналогично покрытиям зданий на действие нагрузок собственного веса, веса грунтовой засыпки, снеговой нагрузки. В необходимых случаях при жестком защемлении покрытия в стенки учитывается влияние защемления покрытия. Расчет аналогичен расчету защемленной плиты днища.
В цилиндрических емкостях днища выполняют в виде плоской или конической оболочки, лежащей на упругом основании. При отсутствии подпора грунтовых вод собственный вес днища и вес жидкости уравновешиваются соответствующим отпором грунта, не вызывая в днище усилий. Изгибающие моменты в днище возникают только на участках стыка с цилиндрической стенкой и в местах опирания фундаментов колонн. Изгибающие моменты на этих участках определяют, рассматривая днище как длинную балку на упругом основании единичной ширины, вырезанную двумя сечениями, параллельными диаметру; по найденным моментам подбирают арматуру в днище на участках примыкания стен и колонн и проверяют его трещиностойкость.