Розрахунок і конструювання стінок циліндричних резервуарів

Розрахунок циліндричних резервуарів виконують залежно від їх конструктивних вирішень. Стінки відкритих наземних необвалованих резервуарів розраховують на дію гідростатичного тиску рідини, якою вони повністю заповнені. Якщо наземні резервуари мають перекриття, то в розрахунках стінок враховується дія вертикальних навантажень, які передаються з перекриттів.

Стінки заглиблених циліндричних резервуарів розраховують на дію горизонтальних навантажень: окремо від внутрішнього гідростатичного тиску рідини повного резервуара при відсутності засипки і окремо від тиску ґрунту на порожній резервуар, а також на дію вертикальних навантажень, які передаються з покриттів.

Гідростатичний тиск рідини на стінки круглих резервуарів із збільшенням глибини, зростає за лінійним законом (рис. 1.32)

, (1.10)

де - густина рідини, - відстань від поверхні рідини до перерізу, який розглядається.

Згідно з нормами (ДБН В.1.2 - 2:2006) у розрахунку резервуарів коефіцієнт надійності за навантаженням для рідини приймають =1.

Рис. 1.32. До розрахунку стінки циліндричних резервуарів:

а – схема визначення гідростатичного тиску рідини на стінку і визначення розтягувальних зусиль у стінці; б – переміщення стінки, яка шарнірно з’єднана з днищем, від гідростатичного тиску рідини та епюри кільцевих зусиль і згинальних моментів у стінці при шарнірному з’єднанні стінки з днищем; в – переміщення стінки, жорстко з’єднаної з днищем та епюри кільцевих зусиль і згинальних моментів у стінці при жорсткому з’єднанні її з днищем; г – розрахункова схема стінки резервуару; д – схема визначення тиску ґрунту на стінку резервуару

На глибині H-x від рівня рідини розрахункове значення гідростатичного тиску рідини на стінку циліндричного резервуару визначається за формулою

(1.11)

де H – висота заповненого резервуару рідиною, х – відстань від днища до точки, в якій визначається тиск.

Гідростатичний тиск спричиняє в стінці кільцеві розтягувальні зусилля , значення яких визначають із умови рівноваги півкільця з висотою пояса, рівною одиниці (рис. 1.32а). На відстані х від днища зусилля розтягу будуть

(1.12)

де – радіус резервуара.

Аналіз умови (1.12) показує, що у випадку вільного переміщення стінки по днищу епюра кільцевих зусиль має лінійний обрис трикутної форми з найбільшою ординатою біля днища, а згинальні моменти у вертикальному напрямку не виникають. Під дією кільцевих зусиль периметр стінки видовжується і сама стінка переміщується в радіальному напрямку. Епюра цих переміщень повторює по обрису епюру (рис. 1.32.б)

У дійсності ж на форму епюри впливає конструкція з’єднання стінки з днищем резервуара. При шарнірному з’єднанні стінки з днищем резервуара між стінкою та днищем виникають сили тертя, які перешкоджають вільному переміщенню низу стінки. Це призводить до того, що від гідростатичного тиску рідини у вертикальному напрямку стінка зазнає дії згинальних моментів М_х і відповідних їм поперечних сил Q_x, а епюра кільцевих зусиль набуває криволінійної форми (рис. 1.32. б).

У монолітному резервуарі, а також у збірному, в разі жорсткого з’єднання стінки з днищем (рис.1.32.в), радіальні переміщення на ділянках, що прилягають до днища, зменшуються, а на рівні днища дорівнюють нулю, внаслідок того, що днище у своїй площині практично не розтягується. Тому стінка викривлюється і в ній виникають згинальні моменти, що діють уздовж твірної, і відповідні їм поперечні сили. Максимальне значення моментів є біля днища і швидко затухає по висоті. Епюра кільцевих зусиль криволінійна з нульовим значенням вгорі і внизу (рис. 1.32. в).

Стінка круглого резервуара являє собою циліндричну тонкостінну оболонку, симетричну відносно вертикальної осі. У ній як в других тонкостінних просторових системах, згин має локальний характер.

Зусилля в стінці, які виникають при різних її з’єднаннях з днищем, з достатньою для практичних розрахунків точністю можна визначити, якщо за розрахункову схему прийняти умовно вирізану зі стінки вертикальну смугу шириною 100 см і розглядати її як балку з відповідним закріпленням (шарнірним чи защемленим) знизу, завантажену гідростатичним тиском і підперту за всією довжиною пружними силами – радіальними складовими кільцевих зусиль (рис.1.32. г).

Згідно з прийнятою схемою, розрахункові формули для визначення зусиль , і можна отримати, використавши розв’язок диференціального рівняння згинання такої балки на пружній основі при відповідному закріпленні кінця.

При жорсткому з’єднанні стінки з днищем кільцеві зусилля і згинальні моменти , які виникають у стінці (з постійною товщиною t) на відстані х від днища, визначаються за формулами:

; (1.13)

, (1.14)

де - кільцеве зусилля, визначене для даного рівня стінки за формулою (1.12); r_max – гідростатичний тиск рідини на стінку резервуара на рівні днища; S – характеристика пружних властивостей стінки визначається за формулою: , – товщина стінки; - безрозмірна координата.

На рівні днища при х=0; ;e^-j=1;

sinj=0; cosj=1

виникає максимальний згинальний момент в стінці

. (1.15)

Характерні епюри, і і приведені на рис.1.32.

При шарнірному з’єднанні стінки з днищем у стику виникає сила тертя, яка перешкоджає горизонтальному переміщенню торця стінки по днищу і є результатом повздовжньої сили N. Силу тертя визначають за формулою:

, (1.16)

де m - коефіцієнт тертя стінки по днищу , m=0,5; N – розрахункове значення повздовжньої сили, яку визначають тільки від ваги стінки у відкритих резервуарах, а в закритих – ще й ураховують вагу покриття та шару ґрунту на покритті.

У закритих резервуарах визначають два значення сили тертя: при гідравлічному випробуванні резервуара без засипки ґрунту і під час експлуатації із засипкою ґрунтом.

Розрахункові кільцеві зусилля _, які діють на відстані від днища в стінці з постійною товщиною, визначаються за формулою:

. (1.16)

Максимальний момент M_x діє в перерізі стінки на відстані від днища, а його значення рівне

(1.17)

Наведені вище залежності (1.12)...(1.17) для визначення зусиль N_x і M_x від гідростатичного тиску рідини можуть бути застосовані в розрахунках надземних та наземних резервуарів у період експлуатації, а для напівзаглиблених та підземних – у період гідравлічних випробуваннях при відсутності засипки ґрунтом.

У стінках круглих резервуарів, які засипані ґрунтом, від бічного тиску ґрунту виникають кільцеві зусилля стиску, а при жорсткому з’єднанні стінки з днищем та перекриттям вони зазнають у вертикальному напрямку ще й дії згинальних моментів. Для сприймання кільцевих зусиль стиску стінка не потребує додаткового армування, оскільки при заповненні резервуара вони знижують розтягувальні зусилля в стінці, а у спорожненому резервуарі повністю сприймаються бетоном стінки. Згинальні ж моменти діють у меридіальній площині, протилежні за знаком щодо знаку моментів від тиску рідини, а тому в порожньому резервуарі в перерізах стінки, в зонах що прилягають до днища і перекриття, необхідно встановити додаткову вертикальну арматуру із зовнішнього боку.

Розрахункове значення бічного тиску ґрунту на глибині h від його поверхні (рис.1.32 д) визначають за формулою

, (1.18)

де g_f – коефіцієнт надійності за навантаженням (для насипного ґрунту g_f=1,15); g - питома вага ґрунту; h – відстань від поверхні ґрунту до даного перерізу; j - кут внутрішнього тертя ґрунту.

Якщо на поверхні ґрунту над покриттям резервуару діє тимчасове рівномірно розподілене навантаження інтенсивністю V, то його замінюють еквівалентним шаром ґрунту висотою і тоді у (1.18) значення відстані збільшують на значення висоти . При повній засипці резервуарів при відстані від поверхні ґрунту до верху резервуару розрахункове значення бічного тиску ґрунту на рівні верху резервуара із урахуванням тимчасового навантаження V

(1.19)

а внизу на рівні днища, до якого відстань від поверхні ґрунту , тиск від ґрунту

(1.20)

У разі жорсткого з’єднання стінки з днищем, ураховуючи (1.19) та (1.20) для визначення максимального значення згинального моменту в стінці на рівні днища від дії тиску ґрунту застосовують формулу

(1.21)

де .

Якщо резервуар заглиблений нижче рівня ґрунтових вод, то при визначенні бічного тиску ґрунту необхідно, з одного боку, враховувати зважувальну дію води на частинки ґрунту, яка зменшує бічний тиск, а з другого боку – додатковий бічний тиск від шару води. У цьому випадку необхідно також перевіряти порожній резервуар на спливання. Щоб резервуар не спливав, необхідно виконання умови, при якій маса порожнього резервуару і вага ґрунту засипки на покритті G з коефіцієнтом надійності щодо навантаження була більшою за рівнодійну підпору ґрунту при , тобто .

Розтягуючі кільцеві зусилля визначають для кілець із висотою 0,5...1,0 м уздовж висоти стінки. Для кожної смуги по їх значеннях, підрахованих на рівні низу кільця, обчислюють площу горизонтальної попередньо напружуваної або звичайної арматури як для центрально розтягнутого елемента шириною 0,5...1,0 м за формулами:

, (1.22)

де - коефіцієнт умов роботи арматури підвищеної міцності, визначається за нормами [1].

Площа вертикальної арматури визначається на дію згинального моменту і повздовжньої вертикальної сили . Розрахунковий поперечний переріз приймається розмірами , де см – ширина вертикальної смуги, см – робоча висота перерізу. Аналогічно обчислюють площу вертикальної арматури на дію .

Кількість площі кільцевої та вертикальної ненапружуваної арматури в збірних панелях стін, визначеної на дію , і , і , також повинна відповідати вимогам розрахунків їх на міцність і тріщиностійкість у період виготовлення, транспортування і монтажу.

Попередньо напружена стінка за другою групою граничних станів розраховується як елемент, до якого ставляться вимоги першої категорії тріщиностійкості. Тому розрахунок на утворення тріщин у ній виконують на дію розрахункових кільцевих зусиль для найбільш завантаженої горизонтальної кільцевої смуги висотою 0,5...1,0 м. У стінках резервуарів із збірних панелей роботу бетону на розтяг у розрахунках на утворення тріщин не враховують, що пояснюється нижчою якістю бетону замонолічуваних стиків порівняно з бетоном збірних панелей.

У ненапружених резервуарах стінку розраховують на утворення і обмежене за шириною розкриття тріщин як конструкцію третьої категорії тріщиностійкості.

Днище резервуарів при відсутності підпору ґрунтових вод армують конструктивно, оскільки вага днища і рідини в резервуарі врівноважується відпором ґрунту, не викликаючи згину днища. Ділянки примикання днища до фундаментів колон і стінок, із метою сприймання місцевих згинальних моментів посилюють місцевим потовщенням і армують додатковою арматурою.

Плоске днище резервуарів, заглиблених нижче рівня ґрунтових вод, розраховують на дію підпору води, приблизно вважаючи таку дію рівномірно розподіленим навантаженням, що діє на днище знизу вверх, як на плиту перевернутого безбалкового перекриття, опертого на колони, капітелями якого є потовщення плити днища або фундаментні блоки.

Армування стінок циліндричних резервуарів викладено в 1.1.4.1 і показано на рис.1.14.

Елементи збірного перекриття закритих резервуарів (панелі, ригелі, колони і їх стики) розраховують і армують аналогічно елементам збірних перекриттів промислових будівель.

Поиск по сайту: