Ćwiczenie projektowe z Konstrukcji Betonowych - Specjalnych.

Temat nr 12: komin żelbetowy dla elektrociepłowni,
- konstrukcja fundamentu.

1. Założenia projektowe:

1. Dane technologiczne:

ilość gazów:

prędkość przepływu gazów:

eksploatacyjna temperatura spalin przy wylocie z komina:

awaryjne temperatura spalin przy wylocie z komina:

zawartość chemiczna gazów: H₂O, H₂S, SO₂, NH₄, CO

podłączenie spalin do komina: czopuch nadziemny umieszczony na poziomie +5,20 m nad poziomem terenu

wymiary przekroju poprzecznego czopucha:

charakterystyka komina: komin żelbetowy, jednoprzewodowy o trzonie zbieżnym

2. dane geometryczne:

wysokość trzonu nad terenem:

pole przekroju wylotu (wewnętrzne):

średnica wylotowa (wewnętrzna):

3. Dane dotyczące lokalizacji komina i podłoża budowlanego:

lokalizacja: Elektrociepłownia „CZECHNICA” w Siechnicach k. Wrocławia

podłoże budowlane: na podstawie wykonanych wierceń i przeprowadzonych badań geotechnicznych stwierdzono, że w miejscu usytuowania komina zalegają:

piaski średnie
-1 m poniżej poziomu terenu

ustabilizowany poziom wód gruntowych występuje na poziomie -2 m poniżej poziomu terenu

4. wstępne przyjęcie parametrów konstrukcji komina:

Trzon komina zaprojektowano jako zbieżny, przyjmując wstępnie zbieżność 2 % w 6 górnych segmentach i 1,5 % w pozostałych segmentach komina. Trzon komina podzielono na 12 segmentów , każdy o wysokości 10 m. Płaszcz nośny ma grubość 20 ÷ 40 cm. Minimalną konstrukcyjną grubość ściany trzonu komina dobrano określono kierując się zaleceniami zawartymi w Tablicy 6 normy PN-B-03004-88.
. Warstwę izolacji termicznej przyjęto wstępnie z wełny żużlowej białej ułożonej luzem, o grubości
10 cm na całej wysokości trzonu komina. Wewnętrzną warstwę ochronną (wykładzinę) przewidziano z cegły kominówki klasy 25, o grubości 20 cm w górnych segmentach, natomiast w segmentach najniższych o grubości 30 cm. Fundamentem komina jest żelbetowa płyta kołowa. Wstępnie przyjęto wymiary fundamentu jako następujące:

poziom posadowienia: -3,0 m poniżej poziomu terenu

średnica płyty fundamentowej, kołowej:

Przyjęto następujące charakterystyki materiałowe:

beton w płaszczu nośnym: B - 25

beton w fundamencie: B - 30

stal zbrojeniowa: A - I

wełna żużlowa biała (luzem):

cegła kominówka klasy 25:

W tabeli nr 1 zestawiono wymiary geometryczne poszczególnych segmentów.

Tabela nr 1

Nr segmentu	Poziom (rzędna)	Grubość płaszcza b	Promień zewnętrzny trzonu R	Promień zewnętrzny drąży rw	Promienie zewnętrzne warstw
					wykładziny r1	izolacji r2	płaszcza r3
[-]	[m]	[cm]	[m]	[m]	[m]	[m]	[m]
001	120,00	20	1,84	1,34	1,54	1,64	1,84
	110,00	22	2,04	1,52	1,72	1,82	2,04
002	110,00	22	2,04	1,52	1,72	1,82	2,04
	100,00	24	2,24	1,70	1,90	2,00	2,24
003	100,00	24	2,24	1,70	1,90	2,00	2,24
	90,00	26	2,44	1,88	2,08	2,18	2,44
004	90,00	26	2,44	1,88	2,08	2,18	2,44
	80,00	28	2,64	2,06	2,26	2,36	2,64
005	80,00	28	2,64	2,06	2,26	2,36	2,64
	70,00	30	2,84	2,24	2,44	2,54	2,84
006	70,00	30	2,84	2,24	2,44	2,54	2,84
	60,00	32	3,04	2,42	2,62	2,72	3,04
007	60,00	32	3,04	2,42	2,62	2,72	3,04
	50,00	34	3,24	2,60	2,80	2,90	3,24
008	50,00	34	3,24	2,60	2,80	2,90	3,24
	40,00	36	3,44	2,78	2,98	3,08	3,44
009	40,00	36	3,44	2,78	2,98	3,08	3,44
	30,00	38	3,64	2,96	3,16	3,26	3,64
010	30,00	38	3,64	2,96	3,16	3,26	3,64
	20,00	40	3,84	3,14	3,34	3,44	3,84
011	20,00	40	3,84	3,14	3,34	3,44	3,84
	10,00	42	4,04	3,32	3,52	3,62	4,04
012	10,00	42	4,04	3,32	3,52	3,62	4,04
	0,00	40	4,20	3,40	3,70	3,80	4,20

2. Obliczenia termiczne:

Obliczenia termiczne ograniczono do wyznaczenia największej temperatury i różnicy temperatur w płaszczu żelbetowym, w górnym przekroju 12 segmentu komina (w miejscu połączenia z czopuchem).

Przyjęto następujące wartości współczynników przewodności cieplnej:

płaszcz żelbetowy nośny (20 °C):

izolacja z wełny żużlowej białej ułożonej luzem (200 °C):

wykładzina z cegły kominówki klasy 25 (200 °C):

Przyjęto następujące współczynniki napływu i odpływu ciepła:

dla wewnętrznej strony przegrody:

dla zewnętrznej strony przegrody:

Wpływ zakrzywienia przegrody uwzględniono zgodnie z normą PN-B-03004-88 za pomocą współczynnika χ.

Wymiary geometryczne obliczanego przekroju:

promień zewnętrzny płaszcza żelbetowego:

promień zewnętrzny izolacji termicznej:

promień zewnętrzny wykładziny z cegły kominówki:

promień wewnętrzny wykładziny z cegły kominówki:

Współczynnik przenikania ciepła:

Współczynnik przenikania ciepła:

Obliczeniową temperaturę zewnętrzną przyjęto:

w zimie: -25 °C (248 K)

w lecie: 35 °C (308 K)

Spadki temperatury w poszczególnych warstwach dla

wynoszą:

Temperaturę na powierzchni poszczególnych warstw obliczono ze wzoru
i wynosi ona odpowiednio:

Ponieważ największa obliczeniowa temperatura żelbetowego płaszcza nośnego występuje latem, dlatego należy uwzględnić również

Współczynniki napływu i odpływu ciepła w okresie letnim przyjęto:

Współczynnik przenikania ciepła:

Spadki temperatury w poszczególnych warstwach:

Maksymalna temperatura w płaszczu wynosi:

Wpływ wysokiej temperatury i różnic temperatur na żelbetowy płaszcz nośny można pominąć, gdyż spełnione są obydwa warunki normowe:

3. OBLICZENIE WIELKOŚCI POMOCNICZYCH.

1. PARAMETRY GEOMETRYCZNE PRZEKROJU PŁASZCZA NOŚNEGO PRZY FUNDAMENCIE.

Powierzchnia przekroju poprzecznego:

Moment bezwładności przekroju płaszcza:

Ciężar trzonu komina.

Całkowity ciężar segmentu trzonu komina nad terenem

Ciężar trzonu na jednostkę długości wynosi:

Razem 3729,2 kN

Ciężar trzonu na jednostkę długości wynosi:

W tabeli nr 2 zestawiono ciężary wszystkich segmentów komina.

Tabela nr 2

Nr segmentu	Poziom (rzędna)	Ciężar płaszcza nośnego	Ciężar izolacji termicznej	Ciężar wykładziny	Obciążenie ciężarem własnym w fazie realizacji	Obciążenie ciężarem własnym w fazie eksploatacji
		Gp	Gi	Gw	Nr	No
[-]	[m]	[kN]	[kN]	[kN]	[kN]	[kN]
001	120,00	578,37	15,85	365,76	578,37	959,98
	110,00
002	110,00	702,37	17,55	408,70	1280,73	2088,59
	100,00
003	100,00	838,40	19,24	451,64	2119,13	3397,87
	90,00
004	90,00	986,46	20,94	494,57	3105,59	4899,84
	80,00
005	80,00	1146,56	22,63	537,51	4252,15	6606,54
	70,00
006	70,00	1318,68	24,33	580,45	5570,83	8530,00
	60,00
007	60,00	1502,84	26,02	623,39	7073,68	10682,25
	50,00
008	50,00	1699,04	27,72	666,32	8772,71	13075,32
	40,00
009	40,00	1907,26	29,41	709,26	10679,97	15721,25
	30,00
010	30,00	2127,52	31,11	752,20	12807,49	18632,07
	20,00
011	20,00	2359,81	32,80	795,13	15167,30	21819,82
	10,00
012	10,00	2590,55	34,50	838,07	17757,85	25282,93
	0,00

4. Okres podstawowych drgań własnych.

1. Wariant pierwszy: komin o jednostajnej zbieżności i zmniejszającej się grubości ściany trzonu.

5. Obciążenie wiatrem.

1. obliczenie jednostkowego obciążenia charakterystycznego od wiatru.

charakterystyczne ciśnienie prędkości wiatru dla I strefy wynosi: q_k = 250 Pa = 0,25 kPa

plus dodatek 20 % zgodnie z PN-B-03004-88: q_k = 300 Pa = 0,30 kPa

współczynniki ekspozycji C_e dla terenu A (teren otwarty z nielicznymi przeszkodami) przedstawia tabela nr 3.

współczynnik oporu aerodynamicznego C_χ określono następująco:

współczynnik działania porywów wiatru β wyznaczono następująco:

współczynnik szczytowej wartości obciążenia:

współczynnik chropowatości terenu (teren A): r = 0,08

współczynnik oddziaływania turbulentnego o częstościach poza rezonansowych (o okresie różnym od okresu drgań własnych budowli):

współczynnik oddziaływania turbulentnego o częstościach rezonansowych z częstościami drgań własnych budowli:

największa wartość współczynnika β wynosi:

przyjęto ostatecznie β = 2,04

współczynnik założeń modelowych: γ_d = 1,30

obciążenie charakterystyczne wywołane działaniem wiatru:

2. obliczenie charakterystycznych wartości sił i momentów od działania wiatru.

Wartości charakterystyczne obciążenia wiatrem zmieniają się wraz z wysokością rozpatrywanego przekroju, dlatego przyjęto umowy podział trzonu na 12 odcinków, każdy o wysokości 10 m. Powierzchnię rzutu pionowego jednego odcinka obliczono następująco:

Wartości charakterystyczne sił od wiatru przyłożono do trzonu w połowie wysokości każdego z wydzielonych segmentów.

Przykładowe obliczenia sił poziomych i momentów zginających I rzędu (od wiatru) dla pierwszego segmentu:

Obliczone w analogiczny sposób siły poziome i momenty zginające I rzędu (od wiatru) w kolejnych segmentach zestawiono w tabeli nr 3.

Tabela nr 3

Nr segmentu	Poziom (rzędna)	Współczynnik ekspozycji	Obciążenie wiatrem	Średnie obciążenie wiatrem	Powierzchnia rzutu bocznego	Siła pozioma	Moment zginający
		Ce	pk	pki	Fi	Pi	Mi
[-]	[m]	[-]			[m2]	[kN]	[kNm]
001	120,00
002	119,40
003	118,80
004	118,20
005	117,60
006	117,00
007	116,40
008	115,80
009	115,20
010	114,60
011	114,00
012	113,40

6. Sprężyste wychylenie wierzchołka trzonu komina.

1. obliczenie ugięcia od działania wiatru.

Przyjmując sztywność średnią danego segmentu oraz przyjmując wpływ sił poprzecznych obliczono sprężyste wychylenie wierzchołka komina ze wzoru Maxwella - Mohra.

Dopuszczalne ugięcie wierzchołka komina żelbetowego przyjmuje się:

Projektowany trzon komina spełnia warunek normowy dotyczący ugięcia wierzchołka.

2. obliczenie momentów zginających z uwzględnieniem odkształcenia trzonu komina.

Ciężar własny poszczególnych warstw komina wyznaczono ze wzoru:

gdzie:

b_j - grubość warstwy,

h_j - wysokość warstwy,

R_gj - promień zewnętrzny górnej części segmentu,

R_dj - promień zewnętrzny dolnej części segmentu,

γ_j - ciężar objętościowy danej warstwy.

W tabeli nr 2 zestawiono ciężary poszczególnych warstw, które wyznaczono przyjmując:

- płaszcz żelbetowy,

- izolacja termiczna,

- wykładzina ceramiczna.

Całkowity ciężar komina od obciążeń w fazie eksploatacji wynosi:

N_o = 25282,9 kN

Całkowity ciężar komina od obciążeń w fazie realizacji wynosi:

N = 17757,8 kN

Wpływ ugięcia II rzędu, w fazie realizacji i eksploatacji, należy określić w zależności od wartości współczynników α wg PN-B-03004-88:

• faza eksploatacji

• faza realizacji

Nie potrzeba uwzględniać wpływu ugięci II rzędu w fazie realizacji, natomiast w fazie eksploatacji należy uwzględnić wpływ II rzędu.

7. Sprawdzenie warunków posadowienia fundamentu komina.

1. Obliczenie oporu granicznego podłoża gruntowego.

W odniesieniu do piasków średnich mokrych, średnio zagęszczonych o I_D = 0,40 (P_s) charakterystyki obliczeniowe wynoszą:

• ciężar objętościowy:
  ,

• kąt tarcia wewnętrznego:
  

• współczynniki nośności: N_D = 16,93

N_c = 28,43

N_B = 6,70

Wstępnie przyjęto, że fundament w postaci płyty kołowej jest posadowiony na poziomie
i ma średnicę 25 m. Wymiary zastępczego przekroju kwadratowego przyjęto jako
.

1. Zestawienie obciążeń charakterystycznych i obliczeniowych w fazie realizacji.

• obciążenie wiatrem:

• obciążenie pionowe z trzonu:

• ciężar leja odpopielającego i sadzy:

• ciężar własny płyty fundamentowej oraz warstwy podkładu z betonu B - 15:

• ciężar gruntu na odsadzkach:

• obliczeniowy moment zginający w poziomie posadowienia:

Całkowite, charakterystyczne obciążenie pionowe wynosi:

Całkowite, obliczeniowe obciążenie pionowe wynosi:

Do obliczenia oporu granicznego podłoża należy wyznaczyć i przyjąć szereg wielkości pomocniczych:

Mimośród obciążenia:

Współczynniki wpływu nachylenia wypadkowej obciążenia:

Obliczeniowy opór graniczny podłoża gruntowego, przy γ_D = γ_B = γ_r = 17,65
w fazie realizacji:

Warunek normowy jest spełniony.

1. Zestawienie obciążeń charakterystycznych i obliczeniowych w fazie eksploatacji.

• obliczeniowy moment zginający w poziomie posadowienia:

Całkowite, charakterystyczne obciążenie pionowe wynosi:

Całkowite, obliczeniowe obciążenie pionowe wynosi:

Do obliczenia oporu granicznego podłoża należy wyznaczyć i przyjąć szereg wielkości pomocniczych:

Mimośród obciążenia:

Współczynniki wpływu nachylenia wypadkowej obciążenia:

Obliczeniowy opór graniczny podłoża gruntowego, przy γ_D = γ_B = γ_r = 17,65
w fazie eksploatacji:

Warunek normowy jest spełniony.

1. Sprawdzenie warunków posadowienia fundamentu wg PN-B-03004-88.

Naciski pod płytą fundamentową od obciążeń charakterystycznych wymagają wyznaczenia następujących wielkości:

• faza eksploatacji:

Naciski krawędziowe wynoszą:

Warunek normowy jest spełniony.

• faza realizacji:

Naciski krawędziowe wynoszą:

Warunek normowy jest spełniony.

Przy posadowieniu na piaskach średnich, średnio zagęszczonych nie jest wymagane sprawdzenie osiadań. Dodatkowo, przy najbardziej niekorzystnym obciążeniu sprawdzono położenie wypadkowej w rdzeniu głównym.

Założenie: komin obciążony wiatrem, bez wykładziny i izolacji z odkopanym fundamentem, nie eksploatowany.

Najmniejsze wartości nacisków krawędziowych są zawsze dodatnie. Warunek normowy jest spełniony.

---