Технико-экономическое обоснование толщины плит покрытия и днища железобетонного подземного резервуара



В данной статье приведен краткий алгоритм технико-экономического обоснования толщин плит подземного железобетонного резервуара на примере конструкции отстойника для слива пульпы.

Ключевые слова: оптимальное проектирование, технико-экономическое обоснование, подземный резервуар, отстойник для слива пульпы.

This article provides a brief algorithm for the feasibility study of the thickness of the slabs of an underground reinforced concrete tank using the example of the design of a sedimentation tank for draining the pulp.

Keywords: optimal design, feasibility study, underground tank, sedimentation tank for pulp drain.

Описание объекта исследования

Рассматриваемый отстойник для слива пульпы конструктивно представляет собой подземный резервуар: замкнутый прямоугольный объем из монолитного железобетона, состоящий из днища, стен и покрытия. Внутренние размеры резервуара, согласно технологическому заданию 9,0х3,0х3,5(h) м. Основные параметры отстойника для слива пульпы представлены на рис. 1–3.

Рис. 1. Схема плиты покрытия отстойника для слива пульпы

Рис. 2. Схема плиты днища и стен отстойника для слива пульпы

Рис. 3. Продольное сечение по отстойнику для слива пульпы

Определение минимальной требуемой толщины плит

Минимальную требуемую толщину плит определяем из их расчета как изгибаемых элементов по наклонному сечению согласно [1, п. 8.1.33]. При этом, установку поперечной арматуры в наклонном сечении плит, считаем не целесообразным. Таким образом, условие [1, ф. 8.56] принимает вид:

Q ≤ Q _b , (1)

где Q — поперечная сила в наклонном сечении с длиной проекции С, определяемая согласно [1, п. 8.1.33];

Q _{b —} поперечная сила, воспринимаемая бетоном в наклонном сечении, определяется по [1, ф. 8.57].

Отмечая, что за счет собственного веса резервуара и его заполнения, поперечная сила в плите днища будет превышать перерезывающую силу в плите покрытия, предварительную минимальную толщину плит принимаем из расчета прочности плиты покрытия.

Исходя из размеров плиты покрытия в плане (см. рис. 1), следует, что она будет работать по балочной схеме — в направлении короткой стороны. Исходя из предварительного расчета, было получено, что максимальная (на опоре) поперечная сила в плите покрытия, на ширине 1 м, составляет Q = 151кН.

Проверку прочности по наклонному сечению проводим при длинах проекции трещины С от h ₀ до 2,5h ₀ (где h _{0 —} рабочая высота сечения плиты). Для каждой длины проекции трещины определяется действующая в сечении поперечная сила Q и поперечная сила, воспринимаемая бетоном Q _b . Проверка прочности по наклонному сечению для толщин плит 200 и 250 мм приведена на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

Рис. 4. Проверка прочности по наклонным сечениям плиты толщиной 200 мм

Рис. 5. Проверка прочности по наклонным сечениям плиты толщиной 250 мм

Как видно из проверок выше, минимальная требуемая толщина плиты покрытия составляет 250 мм. Для дальнейшего определения толщины плит проводим статический расчет железобетонного каркаса резервуара (расчетная схема в ПК Лира-САПР — рис. 6).

Рис. 6. Конечно-элементная модель резервуара в ПК Лира-САПР

По итогу статического расчета, в ПК Лира-САПР, выполняем подбор требуемой арматуры для плит покрытия и днища. Учитывая балочную схему работы плит, рассматриваем требуемое армирование вдоль короткой стороны. Материалы плит: бетон В25 и арматура А500С. В качестве основного армирования принимается арматура Ø12 шагом 200 мм в обоих направлениях.

Рассматриваются следующие варианты толщины плит: 250, 300, 350 и 400 мм. Для каждой толщины было определено требуемое армирование плит. При этом, при определении расхода дополнительной арматуры, учитываем необходимость ее анкеровки за пределами КЭ, в которых она требуется по расчету, согласно [1, п. 10.3.21].

Для сравнения расходов материалов при различных толщинах плиты, были определены:

1 — изменение расхода бетона;

2 — изменение расхода дополнительной арматуры (сумма верхней и нижней) и арматуры в целом.

Данные об изменении расходов материалов (относительно толщины плиты 250 мм, в долях единицы) и удельного расхода арматуры (устанавливаемой по расчету, без учета конструктивной) при различных толщинах плиты покрытия приведены на рис. 7 и рис. 8 соответственно.

Рис. 7. Плита покрытия. Изменение расхода материалов относительно плиты толщиной 250 мм

Рис. 8. Плита покрытия. Зависимость удельного расхода рабочей арматуры от толщины плиты

Данные об изменении расходов материалов (относительно толщины 250 мм, в долях единицы) и удельного расхода арматуры (устанавливаемой по расчету, без учета конструктивной) при различных толщинах плиты днища приведены на рис. 9 и рис. 10 соответственно.

Рис. 9. Плита днища. Изменение расхода материалов относительно плиты толщиной 250 мм

Рис. 10. Плита днища. Зависимость удельного расхода рабочей арматуры от толщины плиты

Сравнение изменений расходов материалов показывает следующее:

1. Как для покрытия, так и днища, увеличение толщины плиты, ожидаемо, приводит к уменьшению расхода арматуры.
2. Для плиты покрытия значительное уменьшение расхода арматуры происходит при толщине плиты 400 мм. При этом, полностью исключается необходимость в установке дополнительной арматуры. Увеличение расхода бетона в 1,6 раз дает десятикратное уменьшение расхода арматуры.
3. Для плиты днища значительное уменьшение расхода арматуры начинается при толщине плиты 300 мм и более. Увеличение расхода бетона в 1,2 раза дает трехкратное уменьшение расхода арматуры. При толщине плиты 400 мм необходимость установки дополнительной арматуры так же исключается.

В контексте технико-экономического обоснования, основное внимание уделяем именно изменению расхода дополнительной арматуры, так как:

1. Бетон по умолчанию считается более дешевым материалом, чем арматурная сталь.
2. Расход основной арматуры в абсолютных величинах задается конструктивными требованиями (в данном случае сетка Ø12 А500С шагом 200 мм в обоих направлениях) и не зависит от толщины плиты.
3. Наличие дополнительной арматуры, кроме расхода самого материала, приводит к увеличению работ по изготовлению арматурных изделий (в том числе, гнутых стержней), установке и фиксации их в опалубке, необходимости увязки с арматурными выпусками стен и усложнению бетонирования. А также, наличие арматурных изделий, устанавливаемых на некоторых участках плит с определенным шагом и привязкой, в целом предъявляет более высокие требования к качеству выполнения и контроля строительно-монтажных работ.

Таким образом, для рассматриваемого подземного резервуара, наиболее оптимальной толщиной плит покрытия и днища является 400 мм.

Выводы

1. Расчетом прочности плит по наклонному сечению были определены минимальные толщины плит покрытия и днища.
2. По итогам статического расчета, на основе сравнения расхода материалов, были выбраны оптимальные толщины плит покрытия и днища.

Литература:

1. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52–01–2003 (с Изменением № 1)