Залізобетонних резервуарів

Гідростатичний тиск рідини на стінки круглих резервуарів зі збільшенням глибини зростає за лінійним законом (рис. 1.3, а):

, (1.1)

де – густина рідини; h – відстань від поверхні рідини до розглядуваного перерізу.

Рис. 1.3. До розрахунку циліндричних резервуарів: а - визначення кільцевих розтягувальних зусиль у циліндричній стінці; б - переміщення стінки, яка не зв’язана з днищем, за умови врахування сил тертя; в - епюри кільцевих зусиль та згинальних моментів у стінці, шарнірно зв’язаній з днищем, за умови врахування сил тертя; г - переміщення стінки жорстко зв’язаної з днищем, та епюри кільцевих зусиль і згинальних моментів у стінці; д - до розрахунку циліндричної стінки резервуара; е - тиск ґрунту на стінку резервуара

Згідно з нормами, у розрахунку резервуарів коефіцієнт надійності щодо навантаження для рідини .

Гідростатичний тиск спричиняє в стінці кільцеве розтягу вальне зусилля , значення якого визначають з умови рівноваги півкільця (рис. 1.3, а):

,

звідси розрахункове кільцеве зусилля

. (1.2)

Якщо стінка відділена від днища, то епюра кільцевих зусиль буде трикутна з максимальною ординатою біля днища. Під дією цих зусиль стінка видовжується і переміщується у радіальному напрямку (рис. 1.3, б). У цьому випадку згинальні моменти у перерізах виникати не повинні.

Насправді ж при шарнірному з’єднанні стінки резервуара з днищем (рис. 1.2, и) виникають сили тертя, які перешкоджають вільному переміщенню низу стінки. В результаті цього в стінці виникають згинальні моменти, а епюра кільцевих зусиль стає криволінійною (рис. 1.3, в).

У монолітному резервуарі, а також у збірному у разі жорсткого з’єднання стінки з днищем (рис. 1.2, ж) радіальні деформації на ділянках, що прилягають до днища, стиснені, а на рівні днища дорівнюють нулю, оскільки днище практично не розтягується. Тому стінка викривлюється і в ній виникають згинальні моменти, що діють уздовж твірної, і відповідні їм поперечні сили. Значення моментів найбільше біля днища і швидко затухає по висоті. Епюра кільцевих зусиль криволінійна з нульовими точками вгорі і внизу (рис. 1.3, г).

Стінка являє собою циліндричну оболонку, симетричну відносно вертикальної осі. Зусилля в ній можна визначати із загальних формул для розрахунку тонкостінних циліндричних оболонок покриття, наведених у підручниках. З достатньою точністю зусилля , та в перерізах стінки можна визначати, розглянувши умовно вирізану з оболонки вертикальну смугу завширшки , затиснуту внизу, завантажену гідростатичним тиском і підперту по всій довжині пружними силами – радіальними складовими кільцевого зусилля (рис. 1.3, д). Прогин цієї смуги пропорційний пружному відпору. Тому у розрахунковій схемі таку смугу можна уявити як балку на пружній основі з одним коефіцієнтом постелі. Виходячи з цього, розрахунок стінки постійної товщини циліндричного резервуара можна виконувати як балки постійної жорсткості, що лежить на однорідній пружній основі при відповідних завантаженнях та опорних закріпленнях.

З розв’язання диференціальних рівнянь згинання балки на пружній основі з затиснутим кінцем маємо формули для визначення розрахункових зусиль:

; (1.3)

, (1.4)

де та – кільцеве розтягувальне зусилля та згинальний момент у розглядуваному перерізі стінки, віддаленому на відстань від днища резервуара (рис. 1.3, г); та – відповідно висота та товщина стінки; – радіус резервуара; – характеристика жорсткості стінки, яку визначають за формулою

. (1.5)

Для залізобетону коефіцієнт Пуассона [1]. Тоді

. (1.5^/)

Коефіцієнти та для розрахунку балок на пружній основі визначають за табл. 8.4.3 [13] залежно від величини , де .

З урахуванням виразів для визначення (1.2) та (1.5) при формули (1.3) та (1.4) можна записати у вигляді

; (1.6)

, (1.7)

де – розрахункове кільцеве зусилля в розглядуваному перерізі без урахування зв’язку стінки з днищем, яке визначають за формулою (1.2); – розрахунковий гідростатичний тиск внизу стінки.

На рівні днища при і відповідно коефіцієнти , , момент досягає максимального значення

, (1.8)

а кільцеве зусилля (рис. 2.3, г).

При шарнірному спряженні з днищем радіальному переміщенню стінки перешкоджає сила тертя

, (1.9)

де – розрахункова поздовжня сила, Н/м; – коефіцієнт тертя стінки об днище; при заповненні днища бітумною мастикою .

У відкритих резервуарах силу визначають тільки з урахуванням ваги стінки, а в закритих – ще й ваги покриття та шару ґрунту на покритті (з відповідної вантажної площі).

В останньому випадку потрібно визначити два значення сили тертя: при гідравлічному випробуванні резервуара без обсипання і під час експлуатації з обсипанням.

Розрахункове кільцеве зусилля в стінці на відстані від низу визначають за формулою

. (1.10)

Максимальний момент від дії в перерізі на відстані (рис. 1.3, в):

. (1.11)

Наведені вище залежності для визначення зусиль та від гідростатичного тиску рідини відповідають напруженому стану для надземних та наземних резервуарів у період експлуатації, а для підземних та напівзаглиблених – у період гідравлічних випробувань (при відсутності обсипки ґрунтом).

Бічний тиск ґрунту від обсипання резервуара створює в стінці кільцеві стискувальні зусилля, а при жорсткому з’єднанні стінки з днищем та перекриттям ще й згинальні моменти. Стискувальні кільцеві зусилля при заповненні резервуара знижують розтягувальні зусилля в стінці, а при спорожненому резервуарі сприймаються бетоном стінки і не потребують додаткового армування.

Згинальні моменти від тиску ґрунту у меридіональній площині, мають знак, протилежний знаку моментів від тиску рідини, і потребують встановлення додаткової вертикальної арматури в стінці в зонах, що прилягають до днища та покриття.

Розрахунковий бічний тиск ґрунту визначають за формулою

, (1.12)

де – коефіцієнт надійності щодо навантаження (для насипного ґрунту ); – густина ґрунту; – відстань від поверхні землі до розглядуваного перерізу; - кут внутрішнього тертя ґрунту.

Якщо на поверхні землі є тимчасове розподілене навантаження , то його замінюють еквівалентним шаром ґрунту . Тоді (рис. 1.3, е) вгорі стінки

, (1.13)

. (1.14)

При жорсткому з’єднанні стінки з днищем максимальний згинальний момент у стінці визначають за формулою

. (1.15)

Площу кільцевої ненапружуваної арматури визначають за формулою

, (1.16)

а площу перерізу напружуваної арматури

, (1.17)

де визначають за рекомендаціями [1].

Кільцеве розтягувальне зусилля визначають через 0,5...1 м по висоті стінки. Для кожної зони обчислюють необхідну площу перерізу арматури і добирають число стержнів.

Крім розрахунку на міцність, попередньо напружену стінку як елемент, до якого ставляться вимоги першої категорії тріщиностійкості, розраховують на утворення тріщин від дії розрахункових навантажень (при ).

До стінок резервуара без попереднього напружування арматури щодо тріщиностійкості ставляться вимоги третьої категорії і в ній допускається обмежене за шириною розкриття тріщин.

Вертикальну арматуру стінки добирають за найбільшим згинальним моментом в рівні прилягання стінки до днища. За зусиллям (від тиску рідини при відсутності засипки) арматуру розташовують із внутрішнього боку стінки, а за (від тиску ґрунту при спорожненому резервуарі) – із зовнішнього боку. На згинання розраховують вертикальну смугу стінки завширшки із робочою висотою перерізу . Армування стінки показано на рис. 1.2, д.

Днище резервуарів при відсутності підпору води армують конструктивно, оскільки вага днища та рідини над ним зрівноважується відпором ґрунту, не спричиняючи згинання днища. Тільки на ділянках, що прилягають до панелей стін і фундаментів колон, у днищі виникають місцеві згинальні моменти. На цих ділянках днище, як правило, посилюють місцевими потовщеннями і додатковою арматурою.

Елементи збірного покриття закритих резервуарів (панелі, ригелі, стики) розраховують і конструюють відповідно до вказівок по розрахунку і конструюванню елементів покриття багатоповерхових будівель. Колони розраховують на стискання при випадкових ексцентриситетах.