Ćwiczenie projektowe z Konstrukcji Betonowych - Specjalnych.
Temat nr 12: komin żelbetowy dla elektrociepłowni,
- konstrukcja fundamentu.
Założenia projektowe:
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
dane geometryczne:
wysokość trzonu nad terenem:
pole przekroju wylotu (wewnętrzne):
średnica wylotowa (wewnętrzna):
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
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 |
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:
OBLICZENIE WIELKOŚCI POMOCNICZYCH.
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 |
|
|
|
|
|
Okres podstawowych drgań własnych.
Wariant pierwszy: komin o jednostajnej zbieżności i zmniejszającej się grubości ściany trzonu.
Obciążenie wiatrem.
obliczenie jednostkowego obciążenia charakterystycznego od wiatru.
charakterystyczne ciśnienie prędkości wiatru dla I strefy wynosi: qk = 250 Pa = 0,25 kPa
plus dodatek 20 % zgodnie z PN-B-03004-88: qk = 300 Pa = 0,30 kPa
współczynniki ekspozycji Ce dla terenu A (teren otwarty z nielicznymi przeszkodami) przedstawia tabela nr 3.
współczynnik oporu aerodynamicznego Cχ 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: γd = 1,30
obciążenie charakterystyczne wywołane działaniem wiatru:
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 |
|
|
|
|
|
|
Sprężyste wychylenie wierzchołka trzonu komina.
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.
obliczenie momentów zginających z uwzględnieniem odkształcenia trzonu komina.
Ciężar własny poszczególnych warstw komina wyznaczono ze wzoru:
gdzie:
bj - grubość warstwy,
hj - wysokość warstwy,
Rgj - promień zewnętrzny górnej części segmentu,
Rdj - promień zewnętrzny dolnej części segmentu,
γj - 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:
No = 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.
Sprawdzenie warunków posadowienia fundamentu komina.
Obliczenie oporu granicznego podłoża gruntowego.
W odniesieniu do piasków średnich mokrych, średnio zagęszczonych o ID = 0,40 (Ps) charakterystyki obliczeniowe wynoszą:
ciężar objętościowy:
,
kąt tarcia wewnętrznego:
współczynniki nośności: ND = 16,93
Nc = 28,43
NB = 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
.
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 γD = γB = γr = 17,65
w fazie realizacji:
Warunek normowy jest spełniony.
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 γD = γB = γr = 17,65
w fazie eksploatacji:
Warunek normowy jest spełniony.
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.