Spremnici, vodotornjevi, bunkeri i silosi
Sadržaj predavanja 1.
Betonske konstrukcije III 22.11.2010.
Spremnici 1.
Okru Okrugl glii spre spremn mnic icii
2.
Spremn Spremnici ici prav pravoku okutno tnog g tlocr tlocrta ta
2.
Vod Vodotor otorn njevi jevi
3.
Bunkeri
4.
Silosi
Prof.dr.sc. Zorislav Sorić, dipl. ing. građ. Doc.dr.sc. Tomislav Kišiček, dipl. ing. gra đ. 1
2
1. Spremnici
Armiranobetonski Armiranobetonski spremnici (rezervoari) se grade za vodovode, kanalizacije i za razne tehni čke potrebe u tvornicama.
Služe za držanje vode i drugih teku ćina, npr. vina, špiritusa, naftnih proizvoda, smola, razli čitih kiselina i plinova. Pri izradi spremnika spremnika - pozornost se obra ća na potrebnu nepropusnost . Nepropusnost za teku ćine i plinove plinove - nastojati nastojati proizvesti i ugraditi kompaktan, gust i nepropustan beton Dodavanje aditiva betonu – poboljšanje svojstava. 3
LPG tank, Barcelona
Spremnici agresivnih teku ćina unutrašnja
4
Nepropusnost Nepropusnost kroz spojnicu se osigurava umetanjem bakrenog lima i mase za zalijevanje, ili još bolje pomoću rebraste gumene trake i kita za popunjene reške.
obloga od kerami čkih pločica, stakla ili prirodnog kamena ; reške se zalijevaju veznim sredstvom otpornim prema teku ćini koja je u spremniku.
Osnovni uvjet za nepropusnost spremnika uz nepropusnost betona je ispravno odabrana, dimenzionirana i temeljena konstrukcija.
5
6
1
7
8
9
10
11
12
2
U spremnicima velikog promjera za nošenje stropa se postavljaju stupovi , najčešće po
djelovanje podzemnih i površinskih voda. Nastojati da spremnik bude smješten iznad razine podzemnih voda , te da se površinske vode dreniraju – problem isplivavanja praznog spremnika
kvadratnoj i pravokutnoj mreži, s razmakom od 3,5 do 4,5 m.
Ukopani spremnici - izolirani zidovi i ploče -
Stropovi okruglih spremnika se obi čno rade kao ravne i rebraste konstrukcije, a vrlo su česte i kupole.
13
Po obliku spremnici se dijele na okrugle i pravokutne ovisi o vrsti tla, veličini spremnika i ekonomičnosti izvedbe.
14
Spremnici pravokutnog tlocrta:
Spremnici okruglog tlocrta:
15
1.1 Spremnici okruglog tlocrta
16
1.1.1 Proračun spremnika okruglog tlocrta
Okrugli spremnici mogu imati jednu ili više komora
Zidovi manjih spremnika se često izvode jednake debljine po cijeloj visini, a kod ve ćih se debljina stijenke smanjuje prema gore.
Posebna pozornost na - spoj stijenke s dnom i stropom. Treba izvesti vute na tim mjestima propisno ih armirati.
Pronalaženje stati čkih veličina, dimenzioniranje presjeka, te proračun graničnih stanja uporabljivosti. Prora čunavaju se na tlak vode iznutra, što zna či jedno optere ćenje i na tlak zemlje izvana, kao drugo optere ćenje. Pri proračunu se uzima u obzir kruti spoj stijene s temeljem, odnosno s donjom i eventualno gornjom plo čom.
Temeljna ploča sa stijenkama spremnika može činiti jednu cjelinu, ili se mogu izvoditi zasebni temelji ispod stijena i stupova i s podom između temelja.
17
18
3
Slobodno oslonjena cilindrična ljuska
Proračun unutarnjih sila spremnika u današnje vrijeme se provodi računalnim modelima pomo ću MKE. Postoje izrazi za “ručni” proračun unutarnjih sila. Ako je stjenka spremnika dilatirana od temeljne ploče tada se sile u stjenci mogu prora čunati pomoću “kotlovske” formule. Ako je stjenka kruto spojena s temeljem pojavljuju se i momenti savijanja i poprečne sile.
• nema rubnih poremećaja (upetost ljuske na dnu zbog spoja sa lijevkom, pločom i sl., upetost ljuske na vrhu sa plo čom) Opterećenje tekućinom: Prstenasta sila: nϕ 0
= p ⋅ r = γ ⋅ r (H − x )
Meridijalna deformacija: ε ϕ 0
=
nϕ 0 E ⋅ h
Radijalni pomak: w0
= ε ϕ 0 ⋅r =
nϕ 0 ⋅ r E ⋅ h
=
p⋅r
2
E ⋅h
2
=
r
E⋅h
⋅ γ ⋅ ( H − x)
p = ρ ⋅ g ⋅ H 19
20
Cilindrična ljuska monolitno spojena s plo čom
Prstenasta sila
Moment savijanja po izvodnici
• spriječene su deformacije • u ljusci su prisutni i momenti savijanja i poprečne sile. Prstenasta sila:
⎧
nϕ = γ ⋅ r ⋅ ⎨( H
⎩
⎡ ⎤⎫ 1 ⎞ − x) − H ⋅ e− λ ⋅ x ⋅ ⎢ cos λ ⋅ x + ⎛⎜ 1 − ⎟ ⋅sin λ ⋅ x ⎥ ⎬ ⋅ H λ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦⎭
Moment savijanja po izvodnici:
m x
= 2 ⋅ λ 2 ⋅ r2 ⋅γ ⋅ H ⋅
K E ⋅ h
⎡ ⎤ 1 ⎞ ⋅ e − λ ⋅ x ⋅ ⎢⎛⎜1 − ⎟ ⋅ cos λ ⋅ x − sin λ ⋅ x ⎥ ⎣⎝ λ ⋅ H ⎠ ⎦
Gdje je: K =
E ⋅ h
Prstenasta deformacija:
3
12 ⋅ (1 − υ 2 )
λ
=
1 r ⋅h
⋅ 4 3⋅ (1 − υ 2 )
ε ϕ
=
nϕ E ⋅ h
21
22
1.1.2 Armiranje spremnika okruglog tlocrta
Osim proračuna prema grani čnim stanjima nosivosti, važan je prora čun prema grani čnim stanjima uporabljivosti proračun progiba i pukotina (vodonepropusnost)
Prstenasta armatura se proračunava za silu nφ:
A s
=
n Sd,ϕ f yd
gdje je nSd,φ proračunska prstenasta sila.
23
Armatura se postavlja u jednom, ali češće u dva sloja.
24
4
Vertikalna armatura se prora čunava za silu nx i moment savijanja m x kao za ekscentrično naprezan element. Vertikalna i horizontalna armatura se međusobno povezuju paljenom žicom u krutu mrežu. Na spoju stjenke i dna spremnika vertikalna armatura se postavlja u dva sloja, a izvan djelovanja poremećajnih momenata u jednom ili dva sloja, ovisno o koli čini prstenaste armature.
25
26
1.2 Spremnici pravokutnog tlocrta
Imaju jednu ili više komora volumen im može biti izvanredno velik. Mogu imati i više zasunskih komora. Visina tih građevina je rijetko kad ve ća od 6 m.
Veliki spremnici opasnost pojave naprezanja zbog skupljanja i mogu ćnosti nejednolikog slijeganja tla.
Naprezanja od skupljanja - smanjenje ako se spremnik betonira u dijelovima. Ostavljanjem reški i njihovim zatvaranjem nakon 28 dana ve ći dio skupljanja pojedinačnih dijelova bit će završen prije zatvaranja.
Kutovi spremnika se oja čavaju vutama s dopunskom armaturom za osiguranje vute. Stropovi se naj češće izvode kao ravne ili rebraste ploče. Donja plo ča može biti monolitna i kruto spojena sa stijenkama spremnika, ili se izvode temelji ispod zidova i stupova s plo čom između njih.
27
Ukopani spremnici - optere ćenje tlaka vode iznutra i tlak zemlje izvana, ako je spremnik prazan.
28
1.2.1 Armiranje spremnika pravokutnog tlocrta
Stijenke su naprezane momentima savijanja zato su deblje nego kod okruglih spremnika.
Armiranje spremnika se provodi prema prethodno proračunatim reznim silama i provedenom dimenzioniranju po na čelima koji vrijede za plo če. Spojevi ploča moraju biti osigurani za djelovanje pozitivnog i negativnog momenta savijanja.
29
30
5
2. Vodotornjevi
Tornjevi na koje se postavljaju armiranobetonski spremnici mogu biti u obliku armiranobetonskog šupljeg valjka koji se izvodi u kliznoj oplati ili u obliku monolitne ili montažne okvirne konstrukcije.
Armiranobetonski spremnici veći od 200 m3 se izvode okruglog tlocrta, a samo su manji kvadratnog tlocrta. Dno im može biti ravno, oja čano rebrima, u obliku kupole i kombinirano od obrnutog stošca i kupole. Spremnik vodotornja se armira po na čelima armiranja elemenata od kojih je sastavljen (stijene, plo če, ljuske). Posebnu pozornost valja obratiti spojevima elemenata koji su najslabija mjesta u svim spremnicima.
31
32
33
34
3. Bunkeri
Spremnici za suhe, zrnate i rastresite materijale (ugljen, ruda, vapno, klinker, pijesak, šljunak, itd.) odozgo, a prazne odozdo.
35
pune se
Prema svojim tlocrtnim dimenzijama imaju relativno malu dubinu za razliku od silosa. Bunker = Spremnik kod kojeg je H < 1,5 lmax.
36
6
3.1 Proračun bunkera Kvadratni ili pravokutni tlocrt
Dno - nagnutih zidova u obliku lijevka. Kad se bunker prazni gravitacijom kut nagiba zidova mora biti ve ći 5 - 10% od kuta prirodnog nagiba materijala.
jedna
ili više ćelija
Bunkeri namijenjeni materijalima koji jako ošte ćuju zidove se oblažu čeličnim limom.
37
pn
Kod vertikalne stijenke i horizontalne gornje površine materijala horizontalno optere ćenje u dubini „z“ od površine na jedinicu plohe iznosi: ph
Stanje optere ćenja u bunkerima još je dosta neodređeno. Prora čun unutrašnjeg tlaka kojim materijal napreže stijenke bunkera se može zbog relativno male dubine i velike zapremine osnivati na teoriji tlaka zemlje. Ta teorija polazi od pretpostavke da se zbog stanovitog popuštanja potporne stijene u uskladištenom materijalu stvara klizna ploha, pa samo dio materijala tla či stijenu. Zanemaruje se trenje materijala o stijenke bunkera.
Ukupnu rezultantu tih optere ćenja se može rastaviti na
jednu normalnu i jednu tangencijalnu komponentu: p n = p v ⋅ cos 2 α + p h ⋅ sin 2 α = γ ⋅ z ⋅ (cos 2 α + λ a ⋅ sin 2 α )
= γ ⋅ z ⋅ tg (45 − 0,5 ⋅ ρ) = γ ⋅ z ⋅ λ a 2
pt
γ - zapreminska težina materijala u bunkeru (kN/m3) ρ - kut unutrašnjeg trenja materijala
= (p v − p h ) ⋅ sin α ⋅ cos α = γ ⋅ z ⋅ cos α ⋅ sin α(1 − λ a )
Za proračun unutrašnjih sila je potrebno osim djelovanja uskladištenog materijala na stijenke ura čunati i vlastitu težinu:
Ako je stijenka nagnuta prema horizontali za kut α, osim
gn = g ⋅ cos α
horizontalnog je prisutno i vertikalno optere ćenje:
gt
pv
= g ⋅ sin α
= γ⋅z
Normalno optere ćenje djeluje okomito na stijenku, a tangencijalno u ravnini kose stijenke.
39
pn
= p v ⋅ cos 2 α + p h ⋅ sin 2 α = γ ⋅ z ⋅ (cos 2 α + λ a ⋅ sin 2 α)
38
= p v ⋅ cos 2 α + p h ⋅ sin 2 α = γ ⋅ z ⋅ (cos 2 α + λ a ⋅ sin 2 α)
z - dubina materijala na mjestu promatranog presjeka λa – koeficijent aktivnog pritiska materijala (kao za tlo)
Proračun bunkera se provodi po pojednostavljenim, ali za prakti čni proračun dovoljno točnim metodama.
40
pn
Stijenke lijevka su najčešće trapeznog oblika. Za praktični proračun momenata savijanja trapeznih ploča, ovisno o omjeru stranica mogu se ako nema tablica za trapezne plo če upotrijebiti one za trokutne i pravokutne plo če za normalno opterećenje (pn + gn).
41
= p v ⋅ cos 2 α + p h ⋅ sin 2 α = γ ⋅ z ⋅ (cos 2 α + λ a ⋅ sin 2 α)
Osim momenata savijanja normalno optere ćenje izaziva horizontalne sile u stijenkama , te sile u bridovima . Veličine tih sila će se dobiti iz reakcija stijenke na ležajevima (bridovima) za normalno i tangencijalno opterećenje. Na tangencijalno optere ćenje u promatranoj stijenci osim komponente uzrokovane tlakom i težinom stijenke (pt + gt) mogu djelovati i dodatne sile od opterećenja priključnih konstrukcijskih elemenata.
42
7
pn
= p v ⋅ cos 2 α + p h ⋅ sin 2 α = γ ⋅ z ⋅ (cos 2 α + λ a ⋅ sin 2 α)
3.2 Armiranje bunkera
Tangencijalno optere ćenje je nejednoliko raspoređeno po stijenci lijevka i koncentrirano je uz kruće dijelove, tj. uz bridove. Stijenka se za to optere ćenje ponaša kao zidni nosač oslonjen na bridove.
Preporučuje se da se kose stijenke armiraju obostrano u obliku mreže. Stijenke bunkera valja armirati po pravilima armiranja ekscentrično naprezanih trapeznih i trokutnih plo ča. Kako kosa stijenka ima funkciju zidnog nosača, potrebno je ugraditi i glavnu armaturu zidnog nosača, koja se sidri u bridove, odnosno armatura se savija u stijenku lijevka kao armatura zidnog nosača.
Suma vertikalnih komponenata dobivenih sila u bridovima mora biti jednaka težini uskladištenog materijala, eventualnom optere ćenju priključne konstrukcije i vlastitoj težini bunkera.
Debljina stijenki bunkera se uzima od l/30 do l/20 manje dimenzije stijenke . 43
44
4. Silosi
Služe za čuvanje suhih rastresitih materijala organskog i anorganskog podrijetla. Razlikuju od bunkera svojom većom dubinom , a relativno malim tlocrtom . Kod silosa je H > 1,5 lmax.
Prema EN 1991-4: H/d < 10; H < 100 m; d < 60 m (H –visina ćelije; d – promjer ćelije)
Većinom su okruglog presjeka nosi na vlak manje betona i čelika nego za druge oblike jednostavna armatura.
45
46
Šupljine između četiriju susjednih ćelija (zvjezdice) - pogodne za uskladištenje materijala. Česti su i silosi šesterokutnog i osmerokutnog presjeka, rjeđe kvadratičnog izloženi su naprezanju vlačnim silama i momentima savijanja.
Silosi velike duljine - nemaju dilatacijske reške dovoljna elastičnost tih gra đevina s okruglim ćelijama i tankim zidovima u uzdužnom pravcu, a vrlo velika prostorna krutost u vertikalnom pravcu. Najracionalnija izvedba tankih i visokih silosa pomoću klizne oplate
Silosi se pune odozgo mehani čki ili pneumatski. Materijal se pušta kroz otvore u gornjoj plo či silosa. Prazne se kroz donji otvor .
47
48
8
4.1 Proračun silosa
U ćelijama silosa djeluje horizontalni tlak p hf , trenje p wf i vertikalni tlak p vft. Razlika u težini materijala u ćeliji i opterećenja trenjem o stijenke na odre đenoj dubini je jednaka vertikalnom opterećenju. Horizontalni i vertikalni tlak u ćeliji ne raste linearno s dubinom kao kod teku ćina, nego se s povećanjem dubine prirast tlaka smanjuje.
Oblik presjeka silosa se uzima u obzir odnosom A/U, gdje je A svijetla površina presjeka, a U unutrašnji opseg presjeka.
Za svaki materijal je potrebno znati zapreminsku težinu, γ i kut unutrašnjeg trenja, φ i, te kut trenja između materijala i stijenke, φ w, koji se definira: tgφ w =
p wf = μ = const phf
49
Svojstva materijala koji se skladišti u silosima – prema EN 1991-4:2006
γ – zapreminska težina
φ r – kut prirodnog nagiba
φ i – kut unutarnjeg trenja
K –
μ – koeficijent trenja između materijala i stijenke silosa
C op –
50
koeficijent horizontalnog pritiska
koeficijent lokalnog uvećanja opterećenja
Opterećenja na stijenke silosa dana su slijede ćim izrazima (Janssenova teorija tlaka – 1895 g.): phf (z) = ph0 ⋅ YJ (z)
ph 0
p wf (z) = μ ⋅ ph0 ⋅ YJ (z)
z0
p vf (z) = μ ⋅
ph 0 ⋅ YJ (z) K
= γ ⋅K ⋅ z0 =
1 A K ⋅μ U
YJ (z) = 1− e
−
z z0
51
52
Tlak tvari u ćelijama prema Janssenovoj teoriji se vrlo dobro podudara s rezultatima eksperimenata, ali samo dok tvar u silosu miruje. Optere ćenja se povećavaju prilikom punjenja i pražnjenja silosa
Parametri φ i, K, μ uzimaju se sa razli čitim vrijednostima ovisno o dijelu ćelije silosa koji se proračunava i ovisno o Razredu procjene djelovanja za silos (“Action Assessment Class”
Povećanje opterećenja ovisi o načinu punjenja ili pražnjenja, putu kretanja materije i presjeka ćelije.
53
54
9
55
56
57
58
Nakon što se na đe opterećenje u ćelijama silosa, proračunavaju se rezne sile u stijenkama silosa po istom postupku kao i za okrugle spremnike. Dno silosa se proračunava ovisno o obliku po teoriji ploča ili ljusaka. Dno može biti ravno za pneumatsko pražnjenje ili je u obliku lijevka za gravitacijsko pražnjenje materijala.
Prema rezultatima ispitivanja pove ćanje se kreće od 1,1 do 2,0 puta tlaka pri mirovanju. Najveći vertikalni tlak nastaje pri punjenju, a horizontalni pri pražnjenju ćelije.
59
60
10
4.2 Armiranje silosa
61
Zidovi silosa se armiraju prstenastom i vertikalnom armaturom - obostrano. Vertikalna armatura nije samo konstruktivna, ve ć može biti i nosiva pri upetosti stijenki silosa u donju i gornju ploču i pri temperaturnim promjenama okoliša. Svaki prsten se sastoji od tri do četiri luka armature. Nastavke valja izvesti naizmjeni čno. Najviše 25% ukupne armature se može nastaviti u jednom presjeku.
62
Silosi se naj češće izvode u kliznoj oplati. Ponekad se stijenke betoniraju i u prijenosnoj oplati, a kod silosa manjeg obujma i manje visine se primjenjuje i montažni način građenja. Dno silosa u obliku lijevka se prora čunava i konstruira kao i za lijevak bunkera. Gra đenje silosa se danas uspješno provodi s relativno novim materijalom „ferocementom“.
63
64
65
66
11