Расчет напряженно-армированных железобетонных резервуаров

Известно, что бетон обладает крайне слабой сопротивляемостью растягивающим усилиям. Даже применение бетона повышенной марки незначительно увеличивает сопротивляемость его растяжению. Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, при напряжениях в кольцевой арматуре в монолитном бетоне 20,5 МПа возникают первые волосяные трещины. Это обстоятельство не позволяет в обычном железобетоне эффективно использовать арматуру из высокопрочных сталей. Между тем применение высокопрочных материалов позволяет значительно сократить стоимость резервуара.

Проблема трещиноустойчивости железобетонных резервуаров успешно была разрешена созданием специальных напряженно-армированных железобетонных резервуаров путем предварительного обжатия их стенок арматурой с таким расчетом, чтобы в них под действием гидростатического давления оставались сжимающие напряжения или, в крайнем случае, возникающие растягивающие напряжения не превышали предельного значения, при котором образуются трещины в бетоне. Предварительное напряжение арматуры производится после того, как бетон достигнет 70% требуемой прочности. Вследствие усадки и ползучести бетона, а также частичного смятия его под арматурой последняя, следуя за бетоном, теряет часть растягивающих напряжений, а бетон — часть сжимающих напряжений. Указанные потери напряжения доходят до 150 МПа. Поэтому требуется применять высокопрочную арматуру для полной компенсации потерь и создания большого запаса предварительного напряжения сжатия бетона. Как показали расчеты, при применении в резервуарах предварительного напряжения общий расход металла может быть снижен на 25—30%, а расход бетона на 10—20%.

При обеспечении трещиноустойчивости только за счет предварительного напряжения, т. е. без учета работы бетона на растяжение, стенку резервуара можно выполнить из отдельных секций с вертикальными швами между ними.

Это позволяет изготовлять отдельные секции в заводских условиях и применять индустриальные методы строительства, что также удешевляет стоимость резервуара.

На рис. 3.34 представлен разрез боковой стенки предварительно напряженного железобетонного резервуара. Сечение стенки состоит из слабо армированного бетонного сердечника 1 с арматурой 2, который обжимается предвари­тельно напряженной кольцевой арматурой 3, наружной торкрет-штукатурки 4, защищающей предварительно напряженную арматуру от коррозии, внутреннего защитного экрана 5, предохраняющего нефтепродукт от утечек.

Рис. 3.34. Сечение стенки предварительно напряженного

Железобетонного резервуара.

Предварительно напряженные конструктивные части резервуара рассчитывают на прочность и трещиноустойчивость. Отличительная особенность предварительно напряженного бетона по сравнению с обычным — более позднее появление трещин, поэтому расчет на прочность производится, как и для обычного железо­бетона, по стадии разрушения без учета сопротивления бетона растяжению.

Площадь сечения основной предварительно напряженной арматуры F_aп определяется для каждого участка высотой 1м. Полное растягивающее усилие Т = — ρghR воспринимается кольцевой арматурой

где k — коэффициент запаса прочности (k = 2,5); σ_п._п— предел прочности напряженной арматуры; F_a.н — площадь сечения обычной арматуры сердечника; σ_т — предел текучести арматуры сердечника

(3.95)

Величина монтажного предварительного напряжения сжатия бетона σ_б1, находится из условия равенства усилий в напряженной арматуре и в сердечнике

отсюда

(3.96)

где σ_а1 — предварительное монтажное напряжение в арматуре; σ_а._н — напряжение сжатия в арматуре сердечника; F_б — площадь поперечного сечения бетонного сердечника

σ_{а. к} - предварительное напряжение арматуры, контролируемое при натяжении (σ_а._к ≈0,6σ_н); σ_п — потеря предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона (σ_п (40 ÷100) МПа); σ_н — нормативное сопротивление напрягаемой арматуры; σ_см — потеря предварительного напряжения от смятия бетона под витками кольцевой арматуры (σ_см = 10 МПа).

Величина напряжения сжатия в арматуре сердечника σ_а._н находится из условия равенства деформации сердечника ε_а и бетона ε_б.

По закону Гука

Здесь Е_а и Е_б — модули упругости арматурной стали сердечника и бетона. Подставляя значение σ_а._в в (3.96), получаем

или, выразив через коэффициент армирования μ=

(3.97)

где μ_п и μ_н — коэффициенты армирования для предварительно напряженной и нормальной наружной кольцевой арматуры сердечника.

Минимальная толщина стенки сердечника вычисляется по формуле

(3.98)

где σ_б — предел прочности бетона на сжатие.