Ćwiczenie projektowe z Konstrukcji Betonowych - Specjalnych.

Temat nr 11: komin żelbetowy dla elektrociepłowni,
- konstrukcja trzonu.

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:

średnica wylotowa (wewnętrzna):

3. Dane dotyczące lokalizacji komina i podłoża budowlanego:

lokalizacja: Elektrociepłownia „DYM” w Szczecinie.

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
8 cm na całej wysokości trzonu komina. Wewnętrzną warstwę ochronną (wykładzinę) przewidziano z cegły kominówki klasy 25, o grubości 15 cm w górnych segmentach, natomiast w segmentach najniższych o grubości 25 cm. Fundamentem komina jest żelbetowa płyta kołowa.

poziom posadowienia: -3,0 m poniżej poziomu terenu

Przyjęto następujące charakterystyki materiałowe:

beton w płaszczu nośnym: B - 25

beton w fundamencie: B - 20

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	1,64	1,21	1,36	1,44	1,64
	110,00	22	1,84	1,39	1,54	1,62	1,84
002	110,00	22	1,84	1,39	1,54	1,62	1,84
	100,00	24	2,04	1,57	1,72	1,80	2,04
003	100,00	24	2,04	1,57	1,72	1,80	2,04
	90,00	26	2,24	1,75	1,90	1,98	2,24
004	90,00	26	2,24	1,75	1,90	1,98	2,24
	80,00	28	2,44	1,93	2,08	2,16	2,44
005	80,00	28	2,44	1,93	2,08	2,16	2,44
	70,00	30	2,64	2,11	2,26	2,34	2,64
006	70,00	30	2,64	2,11	2,26	2,34	2,64
	60,00	32	2,84	2,29	2,44	2,52	2,84
007	60,00	32	2,84	2,29	2,44	2,52	2,84
	50,00	34	3,04	2,47	2,62	2,70	3,04
008	50,00	34	3,04	2,47	2,62	2,70	3,04
	40,00	36	3,24	2,65	2,80	2,88	3,24
009	40,00	36	3,24	2,65	2,80	2,88	3,24
	30,00	38	3,44	2,83	2,98	3,06	3,44
010	30,00	38	3,44	2,83	2,98	3,06	3,44
	20,00	40	3,64	3,01	3,16	3,24	3,64
011	20,00	40	3,64	3,01	3,16	3,24	3,64
	10,00	42	3,84	3,19	3,34	3,42	3,84
012	10,00	42	3,84	3,19	3,34	3,42	3,84
	0,00	40	4,00	3,27	3,52	3,60	4,00

2. Obliczenia termiczne:

Obliczenia termiczne ograniczono do wyznaczenia największej temperatury i różnicy temperatur w płaszczu żelbetowym, w górnym przekroju XII 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 3350 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	515,54	14,06	246,57	515,54	776,16
	110,00
002	110,00	633,20	15,76	278,77	1148,73	1703,88
	100,00
003	100,00	762,89	17,45	310,97	1911,63	2795,20
	90,00
004	90,00	904,62	19,15	343,17	2816,25	4062,14
	80,00
005	80,00	1058,38	20,84	375,38	3874,63	5516,74
	70,00
006	70,00	1224,17	22,54	407,58	5098,81	7171,03
	60,00
007	60,00	1402,00	24,23	439,78	6500,81	9037,05
	50,00
008	50,00	1591,86	25,93	471,99	8092,66	11126,81
	40,00
009	40,00	1793,75	27,62	504,19	9886,41	13452,37
	30,00
010	30,00	2007,67	29,31	536,39	11894,08	16025,74
	20,00
011	20,00	2233,62	31,01	568,59	14127,70	18858,97
	10,00
012	10,00	2458,02	32,70	600,80	16585,72	21950,49
	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 IIb strefy wynosi:q_k = 550 Pa = 0,55 kPa

plus dodatek 20 % zgodnie z PN-B-03004-88: q_k = 660 Pa = 0,66 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 pozarezonansowych (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 = 2,0

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	1,98	2,364	2,340	17,4	81,5	407,4
	110,00	1,94	2,316
002	110,00	1,94	2,316	2,292	19,4	89,0	1667,3
	100,00	1,90	2,269
003	100,00	1,90	2,269	2,229	21,4	95,4	3849,2
	90,00	1,83	2,189
004	90,00	1,83	2,189	2,149	23,4	100,6	7011,3
	80,00	1,77	2,109
005	80,00	1,77	2,109	2,069	25,4	105,1	11202,0
	70,00	1,70	2,029
006	70,00	1,70	2,029	1,989	27,4	109,0	16463,4
	60,00	1,63	1,949
007	60,00	1,63	1,949	1,909	29,4	112,3	22831,3
	50,00	1,57	1,869
008	50,00	1,57	1,869	1,830	31,4	114,9	30335,1
	40,00	1,50	1,791
009	40,00	1,50	1,791	1,701	33,4	113,7	38982,2
	30,00	1,35	1,612
010	30,00	1,35	1,612	1,522	35,4	107,8	48736,8
	20,00	1,20	1,433
011	20,00	1,20	1,433	1,313	37,4	98,3	59521,8
	10,00	1,00	1,194
012	10,00	1,00	1,194	1,194	39,2	93,6	71266,3
	0,00	1,00	1,194

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 = 21950,5 kN

Całkowity ciężar komina od obciążeń w fazie realizacji wynosi:

N = 16585,7 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

Należy uwzględnić wpływ ugięci II rzędu w fazie eksploatacji, natomiast nie trzeba w fazie realizacji.

Wartości całkowitych momentów zginających od wiatru dla fazy realizacji i eksploatacji zestawiono w tabeli 4.

7.WYMIAROWANIE TRZONU ŻELBETOWEGO

7.1 FAZA EKSPLOATACJI

W tej fazie naprężenia w betonie i stali wywołane obciążeniem pionowym od całkowitego ciężaru płaszcza, izolacji i wykładziny oraz całkowitego obciążenia od wiatru muszą spełniać warunki:

7.2 FAZA REALIZACJI

W tej fazie naprężenia w betonie i stali wywołane obciążeniem pionowym od ciężaru płaszcza oraz 0,8 obciążenia poziomego od wiatru muszą spełniać warunki:

7.3 PRZYKŁAD OBLICZEŃ DOTYCZĄCYCH WYMIAROWANIA

Sprawdzenie naprężeń w płaszczu komina dokonano w najniższym przekroju (w poziomie fundamentu).

7.3.1 Faza eksploatacji

Wartości pomocnicze do obliczeń w fazie realizacji

M=77537,7 kNm, N=21950,5 kN, F=9,60 m²

Minimalne zbrojenie pionowe trzonu określa się wg wzoru:

Przyjęto :

• 
  dla sześciu górnych segmentów

• 
  dla siódmego i ósmego

• dla dziewiątego i dziesiątego

• 
  
  dla jedenastego i dwunastego

Z tablicy Z6-1 w PN-88/B-03004 odczytano współczynniki B i C, w odniesieniu do segmentu dolnego B=3,201, C=8,400

Naprężenia w betonie wywołane tylko obciążeniem pionowym

Największe naprężenia ściskające w betonie płaszcza komina

Największe naprężenia rozciągające w stali zbrojeniowej

7.3.1 Faza realizacji

Wartości pomocnicze do obliczeń w fazie realizacji

M=57013,0 kNm, N=16585,7 kN, F=9,60 m²

Dla przyjętego stopnia zbrojenia 0.8 ⁰/₀ odczytano współczynniki

B=3,200 C=7,650

Naprężenia w betonie wywołane tylko obciążeniem pionowym

Największe naprężenia ściskające w betonie płaszcza komina

Największe naprężenia rozciągające w stali zbrojeniowej

7.3.2 Zbrojenie pionowe i poziome segmentu dolnego

Potrzebna powierzchnia zbrojenia pionowego wynosi

F_z=0.008*96000=768 cm²

Obwód komina w miejscu umieszczenia zbrojenia

Przyjęto 203 pręty o średnicy 22 mm, rozstawionych co 123 mm

zatem F_z=203*3,801=771,6 cm²

Minimalne zbrojenie poziome wg wymagań normy wynosi:

ale dla temp. gazów spalinowych 100 ⁰C<t_w<300 ⁰C min stopień zbrojenia wynosi 0,35⁰/₀

Potrzebna powierzchnia zbrojenia

Przyjęto pręty pręty o średnicy 14 mm w rozstawie co 250 mm.

Zestawienie wyników obliczeń poszczególnych segmentów trzonu komina zestawiono w tabeli 5 i 6.

Politechnika Wrocławska Wrocław 30.05.2000

Zakład Konstrukcji Betonowych

WBLiW

ĆWICZENIE PROJEKTOWE Z KONSTRUKCJI BETONOWYCH - SPECJALNYCH

prowadzący: opracowała:

---