Расчет фундамента водонапорной башни пример

При расчете фундамента водонапорной башни необходимо учитывать нагрузки, возникающие от массы башни и резервуара с водой, а также динамические нагрузки, вызванные ветром и землетрясениями. Основным параметром является площадь фундамента, которая определяется с учетом прочности грунта и габаритов конструкции.

Обычно для фундамента выбирают железобетонные плиты, которые обеспечивают равномерное распределение давления. Кроме того, важно сделать расчеты на сжатие и выносливость, чтобы гарантировать стабильность и долгосрочную эксплуатацию водонапорной башни. Определенное значение коэффициента безопасности позволяет учесть возможные нештатные ситуации.

Расчет водонапорных башен

Процесс вычисления водонапорной башни охватывает анализ резервуара, компонентов крыши (при наличии), а также опоры и фундамента. Проектирование и расчет железобетонных резервуаров для водонапорных башен аналогичны оценке и созданию как наземных, так и подземных резервуаров.

При проектировании резервуаров принимаются во внимание различные нагрузки и воздействия: постоянные — масса составляющих резервуара, масса теплоизоляции, влияние предварительного напряжения; длительные временные — давление жидкости, снеговая нагрузка; кратковременные — снеговая и ветровая (ветровая учитывается при отсутствии покрытия), а в определенных ситуациях также сейсмические воздействия. Следует рассмотреть несколько ключевых комбинаций нагрузок: первая — все постоянные нагрузки, давление жидкости и снеговая нагрузка; вторая — все постоянные нагрузки и ветровая нагрузка (в случае с пустым резервуаром). При расчете усилий в элементах резервуара необходимо учитывать способ его соединения с конструкциями опоры башни (см. рис. 1.22).

Рис. 1.22. К расчету резервуара водонапорной башни: а — расчетная схема; б — основная система метода сил; в — основная система метода перемещений; 7 — опора; 2 — днище резервуара Рис. 1.23.

Для анализа резервуара гиперболической водонапорной башни представлены следующие элементы: а — схема расчета; б — ключевая система метода сил; в — основная система метода перемещений; 1 — опора; 2 — дно резервуара. Если стенки резервуара определены гиперболической поверхностью вращения, в расчетной модели их возможно заменить вписанными коническими оболочками, которые жестко соединены по линиям контакта (см. рис. 1.23).

Статический расчет оболочек вращения, замененных вписанными коническими оболочками, выполняют в соответствии с указаниями руководства [17]. Опору и фундамент водонапорной башни рассчитывают на действие вертикальных нагрузок от их собственного веса (с учетом утеплителя, лестниц, площадок и т.п.), веса жидкости, снега и горизонтальной ветровой нагрузки.

Для определения расчетных значений ветровой нагрузки необходимо учитывать динамическое влияние пульсаций давления, возникающих из-за порывов ветра. При этом период собственных колебаний башни Т можно вычислять, принимая жидкость в резервуаре за твердое тело.

Рис. 1.24. К расчету водонапорной башни: 1,2. / — участки разбиения по высоте Период собственных колебаний водонапорной башни может быть подсчитан по приближенной формуле Р Z 3 Т = 3,63. llp, » , (1.25) где (рис. 1.24) V =Л* Р » г » +/> »-1 г »-1 + — +/ 1 г | 3 >’ 126 > где Рп — вес резервуара вместе с жидкостью (или без нее); Рп_х. Р] — вес отдельных участков опоры башни (с учетом веса лестниц, площадок и других конструктивных деталей, расположенных в пределах данного участка опоры); zn,Zn_, . » Zy — расстояния от верха фундаментной плиты до точек приложения соответственно грузов Рп, Рп_у, . Ру, ЕЬ1 — изгибная жесткость горизонтального сечения опоры; g — ускорение свободного падения.

Опоры типа «сплошные» обычно анализируют как вертикальные консольные стержни, которые сжаты внецентренным образом и закреплены в основаниях (см. рис. 1.24, а). Моменты на нормальных сечениях консоли рассчитываются с учетом деформации ее оси, вызванной воздействием горизонтальной нагрузки и наклоном фундамента (см.

1.24, б) по формуле м=мг + мъ, где Л/г — момент от горизонтальной нагрузки; Л/в — дополнительный момент от вертикальных нагрузок вследствие отклонения оси стержня от вертикали. Для сечения, отстоящего на расстоянии от верха фундамента (см. рис.

1.24, б): п м0/ d-27) /оо к где Р, — это все вертикальные нагрузки, которые находятся выше анализируемого сечения;/ =fn +/,2^/к = fk + fk2~ полные отклонения оси опоры от вертикали, соответственно на расстояниях zz- и Zk от верхней части фундамента, вызванные креном фундамента (fiX и fkx) и воздействием горизонтальной нагрузки (fi2 и fk2)’, fa = (z, + ^)tg 0,/^ = (zk + 0. (1.28) При расчете моментов принимаются предельные допустимые значения крена фундамента, что соответствует tg 0 = 0,004 [19]. На основании полученных значений NwM осуществляется расчет внецентренного сжатия горизонтальных сечений опоры, где наиболее рискованным оказывается сечение, находящееся на уровне фундамента.

В опорах-оболочках под воздействием горизонтальных нагрузок, таких как ветер, в продольных сечениях формируются изгибающие моменты, нормальные и поперечные силы. Для опор цилиндрической формы в первом приближении их можно определить по расчетам упругих колец высотой 1 м, вырезанных двумя горизонтальными сечениями из опоры и находящихся в равновесии под влиянием внешних горизонтальных нагрузок, действующих на башню на уровне расположения исследуемого кольца и внутренних касательных усилий, приложенных в кольцевых сечениях (см. п. 14.2.6 [24]).

Схема расчета кольца представлена на рис. 1.25, а, а график моментов — на рис. 1.25, б. Опоры сквозного типа, состоящие из стоек и горизонтальных элементов, или выполненные только из стоек, проектируются как пространственные рамы. Пример расчета водонапорной башни с опорой в форме пространственной рамы можно найти в [1].

Статические расчеты пространственных сетчатых опор требуют выполнения значительных по объему вычислений и поэтому успешно могут быть реализованы лишь с использованием ЭВМ. Однако в инженерной практике существуют и практические приемы расчета подобных конструкций. В одном из таких упрощенных способов расчета сквозную систему заменяют оболочкой, в срединную поверхность которой вписаны узлы исходной системы, а толщину оболочки назначают в зависимости от геометрии поперечных сечений стержней сквозной конструкции. Предварительная проверка первоначально принимаемых поперечных сечений элементов стержневой системы может быть выполнена по усилиям, найденным достаточно приближенными способами. Для опоры только с наклонными или только

Рис. 1.25.К расчету вертикальных сечений цилиндрической опоры:

— расчетная ветровая нагрузка на 1 м 2 поверхности оболочки; Д5 — приращение касательных усилий в пределах высоты кольца; q — расчетная ветровая нагрузка на 1 м 2 поверхности оболочки; б — эпюра моментов в кольцевом сечении с вертикальными стоиками, имеющими на рассматриваемом уровне одинаковые поперечные сечения, усилия в них можно определить по формуле
(1.29)

где Р — вертикальная нагрузка (вес элементов сооружения, жидкости, снега) на уровне, где определяется /VCT; т — число стоек; а — угол наклона стоек к вертикали; М — изгибающий момент (находится из расчета опоры как консоли) от горизонтальных нагрузок на уровне, где определяется /VCT; уст/ — расстояние от оси, перпендикулярной плоскости действия М и проходящей через центр тяжести сечения сквозной опоры (на уровне определения NCT) для каждой стойки; у — то же, до центра тяжести сечения рассматриваемой стойки.

По найденным из статического расчета усилиям производят подбор элементов сквозных опор.

Размеры фундамента башни в плане определяют исходя из расчета основания по деформациям на совместное действие нормальной силы с учетом изгиба опоры и крена фундамента. Расчет выполняют для двух случаев: с заполненным или незаполненным баком. Форма эпюры давлений под подошвой фундамента при проверке башни с заполненным баком должна быть трапециевидной с отношением минимального и максимального напряжений не менее 0,25. При проверке башни с опорожненным резервуаром допускается треугольная эпюра напряжений.

Стабильность конструкции башни в основном оценивается через анализ на наклон относительно оси, которая перпендикулярна плоскости воздействия опрокидывающего момента Mv и удерживающего момента Mh, и проходит через край фундамента. Устойчивость считается обеспеченной, если (см. рис. 1.24, б):

При определении Mh вес элементов башни (при незаполненном резервуаре) принимают с коэффициентом 0,9, не учитывают вес грунта на обрезах фундамента, но учитывают изгиб опорыПри определении Mv принимают расчетное значение ветровой нагрузки.

Крен круглого в плане фундамента водонапорной башни можно определять по формуле где v — коэффициент Пуассона грунта; Е — модуль деформации грунта; d — диаметр подошвы фундамента; М — момент относительно подошвы фундамента от нормативного значения ветровой нагрузки, /И= MJ