Расчет водонапорной башни
Водонапорные башни предназначаются для регулирования неравномерности водопотребления, хранения неприкосновенного запаса воды и создания требуемого напора в водопроводной сети.
Емкость бака водопроводной башни согласно п.12.3 (2) должна быть равна:
W бака = W рег бака + W н.з бака, (5.8)
где:W рег бака — регулирующий объем бака (п.14.4, [2]);
W н.з бака— неприкосновенный запас воды (п.14.5, [2]);
Определение регулирующего объема бака
Отбор воды на хозяйственно-питьевые цели из водопроводной сети в течение суток производится неравномерно, колебания расхода по часам суток определяются графиком водопотребления, который рассчитывается в зависимости от коэффициента часовой неравномерности водопотребления. Нами для расчета найден К = 1,43. Если установить на насосной станции насосы, по производительности обеспечивающие расход в час максимального водопотребления, то все оставшееся время насосная станция будет работать с нагрузкой, что экономически не выгодно.
Ниже рассматривается два варианта совместной работы насосной станции и водопроводной сети:
График подачи воды в сеть не совпадает с графиком ее отбора из сети. Это значит, что при подаче воды насосами в отдельные часы суток количество поданной воды в сеть не будет совпадать с количеством отбираемой воды из сети. Восполнение недостающего количества в часы, когда расход воды из сети меньше подачи ее насосами.
Предположим, что насосная станция имеет равномерный режим подачи воды, подавая за час 4,17 % суточного расхода. При помощи совмещенных графиков водопотребления и водоотдачи можно определить расчетную регулирующую емкость бака водонапорной башни. Результаты вычислений сведем в таблицу, где значения расходов даны в процентах от суточного расхода.
Определение регулирующего объема бака водонапорной башни
Поступление в РВЧ,%
Расход воды поселком, %
Регулирующий объем воды в водонапорной башне при равномерном режиме подачи составит:
W рег бака = (Q сут.max * А2) / 100, (5.9)
где: Qсут.max — максимальный суточный расход воды на хозяйственно-питьевые и производственные нужды,
А2 — разница между максимальными и минимальными значениями остатка воды в водонапорной башне.
W рег бака = (21643 * 4,3) / 100 = 931 м 3
Определение неприкосновенного запаса бака
Пожарный объем воды в баках водонапорной башни должен рассчитываться на десятиминутную продолжительность тушения одного наружного и одного внутреннего пожара при одновременном наибольшем расходе на другие нужды.
где: W нар. пож— объем воды на тушение наружного пожара, м 3
W вн. пож— объем воды на тушение внутреннего пожара, м 3
Wх.п — объем воды на хозяйственно-питьевые нужды населения, м 3
Wпр — объем воды на нужды промышленного предприятия, м 3
Объем воды на наружное пожаротушение:
W нар. пож= (Q нар пож * tтуш * 60) / 1000 = (45* 10 * 60) / 1000 = 18м 3
Объем воды на внутреннее пожаротушение:
W вн. пож=(Q вн пож** tтуш * 60) / 1000=(10*10*60 ) /1000 = 6 м 3
Объем воды на хозяйственно-питьевые нужды:
Wх.п= (Q хп сек * tтуш * 60) / 1000 = (279,1 * 10 * 60) / 1000 = 168 м 3
Объем воды на производственные нужды:
Wпр = (Q пр сек * tтуш * 60) / 1000 = (58* 10 * 60) / 1000 = 35 м 3
Объем неприкосновенного запаса водонапорной башни должен быть:
Объем неприкосновенного запаса водонапорной башни должен быть:
W бака = W рег бака + W н.з бака= 931+227= 1158м 3
Согласно приложенияю11 (4) и на основании расчетов принимаем один типовой бак вместимостью 1158м 3 , так как в данном приложении нет баков такого объема.
Определение диаметра и высоты бака
Зная ёмкость бака, определим его диаметр и высоту:
где:Wбака -емкость бака водонапорной башни, м 3 ;
Нбака -высота бака, м;
Дбака -диаметр бака, м.
Определение высоты водонапорной башни
где:hсети — потери напора в водопроводной сети при работе ее в обычное время;
Zд.ти Zб — отметки земли в диктующей точке и в месте установки башни;
Нсв — свободный напор в диктующей точке при заданной застройке;
1.05 — коэффициент, учитывающий потери напора на местные сопротивления.
где: n — количество этажей.
Нсв= 10 + 4 (16 — 1) = 70м
Определяем высоту водонапорной башни:
Принимаем водонапорную башню высотой 40 м. И систему местных повысительных установок.
Полученные расчетные высоты башни и бака обеспечивают выполнение условия: свободный напор в наружной сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителей не должен превышать 60 м.
5,4 + 40< 60; условие выполняется. При напорах в сети более 60 м следует предусматривать установку регуляторов давления, местных насосных установок для повышения напора для зданий, расположенных в диктующей точке или возвышенных местах.
Высоту башни до дна бака выбираем типовую максимально допустимую равную 40 м.
Для изготовления водонапорных башен используются:
для стволов — сталь или местные несгораемые материалы, а для баков — сталь. (СНиП п.14.18)
Ствол водонапорной башни допускается использовать для размещения производственных помещений системы водоснабжения, исключающих образования пыли, дыма и газовыделение.
Водонапорная башня, не входящая в зону молниезащиты других сооружений, должна быть оборудована собственной молниезащитой.
Напорные резервуары и водонапорные башни при системе пожаротушения высокого давления должны быть оборудованы автоматическими устройствами, обеспечивающими их отключение при пуске пожарных насосов.
Контроль уровня воды в водонапорных башнях осуществляется датчиками уровня.
Для отбора воды из бака пожарными автоцистернами в башне необходимо предусматривать сливной водопровод.
Конструкции и расчет водонапорных башен
Конструкции. Водонапорные башни (рис. 9.12) предназначены для создания и регулирования напора в водонапорных сетях, В зависимости от материала водонапорные башни могут быть железобетонными, кирпичными, металлическими и деревянными. Железобетонные водонапорные башни могут иметь разную конструкцию: со стволом в виде сплошного железобетонного цилиндрического стакана; со стволом из опорных колонн.
Водонапорная башня показана на рис. 9.13.
Вместимость бака (резервуара) и высоту поддерживающей конструкции, которая измеряется от поверхности до низа бака, определяют в процессе проведения основных расчетов системы водоснабжения и применяют как заданные при проектировании башни.
Основные, наиболее распространенные конструктивные типы резервуаров водонапорной башни следующие: прямоугольный или круглый в плане, с плоским днищем..Резервуары подобного типа (наибольшей вместимостью 10. 50 м) делают из листовой
Рис. 9.12. Схема водонапорной башни: j _ защитная железобетонная обо- 1 — бак; 2— приемная сетка, 3 — отводящий отрос- лочка; 2— кирпичный цоколь ток; ^—обратный клапан; J—компенсаторы; 6— служебный мостик; 7—подводящая труба, 8- опорная конструкция; 9— задвижка; /О—гидравлический затвор; Л — решетка с захлопкой; 12 — лестница; 13 — переливная труба- 14 — лаз- IS— спускной отросток; 16 -переливной стояк; 17— молниезащота; 18- вентиляция; 19— подводящий стояк
стали или дерева (круглый в плане, а также с выпуклым днищем может быть выполнен из железобетона или листовой стали). Иногда в днище резервуара устраивают шахту для подъема вверх обслуживающего персонала и осмотра резервуара. Такие резервуары наиболее распространены при средних по своим размерам системах водоснабжения. Резервуар круглый в плане, а также с выпуклым днищем, выполненные из листовой стали, обычно имеют вместимость более 400. 500 м.
Форма» и конструкция несущей части башни зависят от вместимости бака и строительного материала, из которого они выполнены. Применение сборных железобетонных конструкций позволяет уменьшить стоимость башен с несущей частью в виде опорных колонн.
Несущая часть кирпичных водонапорных башен имеет вид цилиндрического или конического суживающегося вверх ствола.
Рис. 9.13. Схема железобетонной с цилиндрическим стволом водонапорной башни:
1 — защитная железобетонная оболочка; 2 — кирпичный цоколь
Резервуар опирается на кирпичные стены. В сельскохозяйственном водоснабжении широко применяют стальные башни Рожнов-ского.
Чтобы предотвратить повреждение резервуара от резких температурных изменений и предохранить воду в нем от промерзания и прогревания, вокруг бака устраивают шатер. Для защиты труб от замерзания в водонапорной башне обычно устанавливают небольшую металлическую печку для обогревания во время морозов, а в башнях с несущей конструкцией в виде отдельных колонн трубы закрывают деревянным футляром.
В водонапорной башне устанавливают следующие трубы: подающую воду от насосной станции; разборную, отводящую воду в сеть; переливную, не допускающую переполнения резервуара;
спускную для опорожнения бака.
В большинстве случаев подающую и разборную трубы соединяют вместе, тогда подача воды и ее отвод осуществляются по одному стоку. Спускную трубу соединяют с переливной и оборудуют задвижкой. Применяют фланцевые трубы. В верхней части каждого стояка устанавливают компенсатор для компенсирования возможных изменений длины стояка вследствие колебаний температуры. В баке расположены приборы для наблюдения за уровнем воды. Целесообразна установка электрических указателей, позволяющих машинисту на насосной станции наблюдать за уровнем воды в баке.
Определение высоты водонапорной башни и объема напорно-регулирующего резервуара. Наиболее выгодное место расположения резервуара, его вместимость и отметка дна зависят от многих факторов: рельефа местности, значения требуемых свободных напоров в сети при разных условиях водопотребления, графика работы насосов, места хранения противопожарного запаса воды и типа резервуара.
Резервуар устанавливают в наиболее высоких местах, где можно заменить башню более дешевым подземным резервуаром. При плоском рельефе местности наиболее выгодно размещать башню в последней от точки питания четверти сети и по возможности в ценгре территории, обслуживаемой башней в период максимального водозабора. В случае хранения в башне противопожарного запаса воды более выгодно размещать башню в конце третьей четверти сети. Если местность к концу сети повышается, водонапорный резервуар располагают в конце сети. При понижении местности к концу сети водонапорный резервуар размещают в ее начале. Чем меньше уклон местности, тем дальше от начальной точки сети к ее центру следует устанавливать башню.
Если неприкосновенный противопожарный запас размещается в напорных резервуарах (рис. 9.14), то при расчете сети определяют отметки: дна резервуара башни?д.б; верхнего уровня противопожарного запаса zx min (которая также является отметкой
расчетного уровня на случай максимального хозяйственного водоразбора в сети); наивысшего уровня воды в резервуаре Zx max.
Координаты первой и второй отметок находят по формуле
Лб = Ян + (^д — ж) + Ейд,
где Яб — высота башни, м; Яи — необходимое избыточное давление в «диктующей» точке, м; а — отметка поверхности земли в «диктующей точке», м; ж — отметка поверхности земли в месте установки водонапорной башни, м; 2-Ад — сумма потерь напора по
Рис. 9.14. Схема работы водонапорной башни:
1 — потребитель; 2 — водонапорная башня
длине между башней и «диктующей» точкой, м.
Положение третьей отметки, а в тех случаях, когда по расчету на обеспечение пожарного расхода высота башни получается наибольшей, и второй отметки зависит от вместимости wta его диаметра Врез-
Zx min = %.б + ^пож/(0,7852^ез);
йс max = Zx min + И^хоз/(0,785Дрез),
где & min — отметка верхнего уровня противопожарного запаса, м; йс max — отметка наивысшего уровня воды в резервуаре, м; И^пож. — объем пожарного запаса, м;
Wwi — объем хозяйственного запаса, м; гд.б — отметка дна резервуара башни, м;
Д^кз — диаметр резервуара, м.
Высота башни Яб = Za.6 — й.б, где й.б — отметка земли у башни, м.
Чтобы подавать воду в сеть в соответствии с графиком потребления, устраивают резервуары с некоторым регулировочным запасом воды. Этот запас расходуется в период подачи насосной станцией расхода воды в сеть менее требуемого и, наоборот, наполняется во время подачи воды в большем количестве, чем расходуется потребителями. Необходимый объем регулировочного запаса воды определяют составлением почасового баланса притока в резервуар и оттока из него или построением интегральных кривых подачи воды насосной станцией и расхода воды в сети.
Ордината интегральной кривой потребления показывает, сколько воды (% суточного расхода) израсходовано к данному часу. Ординаты интегральной кривой подачи воды в сеть насосами показывают, сколько на данный час подано воды. Для построения этих кривых надо суммировать часовые расходы воды от начала суток до каждого данного часа (рис. 9.15).
Рис. 9.15. Суммарная (интегральная) кривая водопотребления:
1— кривая подачи; 2—кривая недопотребления; W\, (^—соответственно избыток и недостаток подачи; W, — равные значения подачи и водопотребления; Wcy — суточный объем
Необходимый объем резервуара
где W— объем резервуара, м’; а — максимальная разность ординат кривых подачи и потребления по недостатку воды, % суточного расхода; б — наибольшая разность ординат по избытку, т. е. по превышению кривой подачи над кривой потребления, % суточного расхода.
Если интегральные кривые потребления и подачи не пересекаются, то определяют одну максимальную разность ординат
2468 1012U1>б1820’22 t,4
Величина необходимого регулировочного запаса воды зависит в большой степени от принципа работы насосной станции. При автоматизации работы насосной станции необходимая вместимость регулировочного резервуара значительно уменьшается.
Задачи. Далее приведены задачи, посвященные расчету системы водоснабжения. Исходные данные к задачам приведены в табл. 9.1.
17. Конструкции и особенности расчета ж/б водонапорных башен и труб
Их назначение — регулировать напор воды в водопроводной сети и обеспечивать бесперебойное снабжение водой.
Главная составная часть каждой башни — резервуар. Его вместимость устанавливают в соответствии с режимом водопотребления в сети и эксплуатации насосной станции. Высота подъема резервуара над поверхностью земли зависит от расчетного значения напора.
Водонапорные башни весьма разнообразны по вместимости резервуаров (от 15 до 3000 м3) и по высоте опорной части (от 6 до 50 м). Различают водонапорные башни шатровые (рис. XVI.16, а) и бесшатровые (рис. XVI. 16, б).
Сооружают башни с одним резервуаром (см. рис. XVI.16, а,-б), а также с несколькими (рис. XVI.16, е), если на объекте водоснабжения требуется вода различного качества по чистоте и температуре.
В результате технико-экономического анализа установлены следующие главные параметры типовых башен: с резервуарами вместимостью 25, 50, 150, 250, 500, 1000 м3, а также с опорными конструкциями высотой 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 м при резервуарах вместимостью 25 и 50 м3 и высотой 12, 18, 24, 30, 36, 42 м при резервуарах вместимостью 150— 1000 м3.
Резервуары водонапорных башен делают железобетонными или стальными.
Стены железобетонных резервуаров значительных размеров для обеспечения требуемой трещиностойкости должны быть предварительно напряжены.
Опорные конструкции водонапорных башен выполняют преимущественно железобетонными, но при резервуарах малого объема (25—50 м3) в зависимости от местных условий — также металлическими или кирпичными.
В водонапорных башнях расчету подлежат конструкции резервуара, опор, фундамента и шатра. При расчете конструкции опоры и фундамента основными нагрузками служат (рис. XVI.21) давление наполненного резервуара Fb вес опоры F2 и фундамента с засыпкой грунта на нем F3, горизонтальное давление ветра на шатер (резервуар) Wiи опору W2.
Опора в целом оказывается внецентренно сжатой от действия нагрузок FI и F2 и изгибающего момента (от Wi и Wz), достигающего наибольшего значения у фундамента. Если опора сплошная, то рассчитывают ее на прочность как единую конструкцию с большим кольцевым поперечным сечением. Рамные и сквозные сетчатые опоры рассчитывают как пространственные стержневые системы.
Размеры подошвы фундамента устанавливают из расчета несущей способности основания при совместном действии продольной силы и момента, по указаниям норм проектирования оснований зданий и сооружений. Предварительно их можно принять на основании условного расчета башни в целом по воображаемому ее опрокидыванию относительно внешней грани фундамента с подветренной стороны (точка А на рис. XVI.21). Опрокидывающий момент от ветра и удерживающий момент от давления составных частей сооружения вычисляют по формулам: Mh = ΣWi hi ; Mv= ΣFi a в правые части представляют суммы моментов указанных усилий с соответствующими плечами относительно моментной точки А. Ветровую нагрузку учитывают с коэффициентом перегрузки, равным 1,3, а собственный вес конструкций (резервуар считается пустым) — с пониженным коэффициентом, равным 0,9.
Расчет водонапорных башен
Расчет водонапорной башни включает расчеты резервуара, элементов шатра (если он имеется), опоры и фундамента.
Расчет и конструирование железобетонных резервуаров водонапорных башен не отличается от расчета и конструирования наземных и подземных резервуаров. При расчете резервуаров учитывают следующие нагрузки и воздействия: постоянные — вес элементов резервуара, вес утеплителя, воздействие предварительного напряжения; временная длительная — давление жидкости, снеговая; кратковременные — снеговая и ветровая (последняя учитывается, если нет шатра), а также в необходимых случаях сейсмические воздействия. Должны быть рассмотрены следующие основные сочетания нагрузок: первое — все постоянные, давление жидкости и снеговая нагрузка; второе — все постоянные и ветровая нагрузка (случай опорожненного резервуара). При определении усилий в элементах резервуара необходимо учитывать характер сопряжения его с конструкциями опоры башни (рис. 1.22).
Рис. 1.22. К расчету резервуара водонапорной башни: а — расчетная схема; б — основная система метода сил; в — основная система метода перемещений;
7 — опора; 2 — днище резервуара
Рис. 1.23. К расчету резервуара гиперболической водонапорной башни: а — расчетная схема; б — основная система метода сил; в — основная система метода перемещений; 1 — опора; 2 — днище резервуара
Если стенки резервуара очерчены по гиперболической поверхности вращения, то в расчетной схеме они могут быть заменены вписанными коническими оболочками, жестко связанными по линиям контакта (рис. 1.23).
Статический расчет оболочек вращения, замененных вписанными коническими оболочками, выполняют в соответствии с указаниями руководства [17].
Опору и фундамент водонапорной башни рассчитывают на действие вертикальных нагрузок от их собственного веса (с учетом утеплителя, лестниц, площадок и т.п.), веса жидкости, снега и горизонтальной ветровой нагрузки. Расчетные значения ветровой нагрузки должны определяться с учетом динамического воздействия пульсаций скоростного напора, вызванных порывами ветра. При этом период собственных колебаний башни Т допускается определять, рассматривая жидкость, находящуюся в резервуаре, как твердое тело.
Рис. 1.24. К расчету водонапорной башни:
1,2. / — участки разбиения по высоте
Период собственных колебаний водонапорной башни может быть подсчитан по приближенной формуле
Т = 3,63. llp, » , (1.25)
V =Л* Р » г » +/> »-1 г »-1 + — +/ 1 г | 3 >’ 126 >
где Рп — вес резервуара вместе с жидкостью (или без нее); Рп_х. Р] — вес отдельных участков опоры башни (с учетом веса лестниц, площадок и других конструктивных деталей, расположенных в пределах данного участка опоры); zn,Zn_, . » Zy — расстояния от верха фундаментной плиты до точек приложения соответственно грузов Рп, Рп_у, . Ру, ЕЬ1 — изгибная жесткость горизонтального сечения опоры; g — ускорение свободного падения.
Сплошные опоры обычно рассчитывают как внецентренно сжатые вертикальные консольные стержни, заделанные в фундаментах (рис. 1.24, а).
Моменты в нормальных сечениях консоли определяют с учетом деформации ее оси от действия горизонтальной нагрузки и крена фундамента (рис. 1.24, б) по формуле
м=мг + мъ,
где Л/г — момент от горизонтальной нагрузки; Л/в — дополнительный момент от вертикальных нагрузок вследствие отклонения оси стержня от вертикали.
Для сечения, отстоящего на расстоянии от верха фундамента (см. рис. 1.24, б):
где Р, — все вертикальные нагрузки, расположенные выше рассматриваемого сечения;/ =fn +/,2^/к = fk + fk2
полные отклонения оси опоры от вертикали соответственно на расстоянии zz— и
Zk от верха фундамента, обусловленные креном фундамента (fiX и fkx) и действием горизонтальной нагрузки (fi2 и fk2)’,
fa = (z, + ^)tg 0,/^ = (zk + 0. (1.28)
При расчете моментов принимают предельно допустимые значения крена фундамента, чему соответствует tg 0 = 0,004 [19].
По найденным значениям NwM производят расчет внецентрен-но сжатых горизонтальных сечений опоры, наиболее опасным из которых оказывается сечение, расположенное на уровне фундамента.
В опорах-оболочках от действия горизонтальных нагрузок, в частности ветровых, в продольных сечениях возникают изгибающие моменты, нормальные и поперечные усилия. В опорах цилиндрической формы они могут быть определены в первом приближении из расчета упругих колец высотой 1 м, вырезанных двумя горизонтальными сечениями из опоры и находящихся в равновесии под действием внешней горизонтальной нагрузки, действующей на башню на уровне расположения рассматриваемого кольца и внутренних касательных усилий, приложенных в кольцевых сечениях (см. п. 14.2.6 [24]). Расчетная схема кольца показана на рис. 1.25, а, а эпюра моментов — на рис. 1.25, б.
Опоры сквозной конструкции из стоек и горизонтальных элементов или только из стоек рассчитывают как пространственные рамы. Пример расчета водонапорной башни с опорой в виде пространственной рамы приведен в [1].
Статические расчеты пространственных сетчатых опор требуют выполнения значительных по объему вычислений и поэтому успешно могут быть реализованы лишь с использованием ЭВМ. Однако в инженерной практике существуют и практические приемы расчета подобных конструкций.
В одном из таких упрощенных способов расчета сквозную систему заменяют оболочкой, в срединную поверхность которой вписаны узлы исходной системы, а толщину оболочки назначают в зависимости от геометрии поперечных сечений стержней сквозной конструкции.
Предварительная проверка первоначально принимаемых поперечных сечений элементов стержневой системы может быть выполнена по усилиям, найденным достаточно приближенными способами. Для опоры только с наклонными или только
Рис. 1.25. К расчету вертикальных сечений цилиндрической опоры:
- — расчетная ветровая нагрузка на 1 м 2 поверхности оболочки; Д5 — приращение касательных усилий в пределах высоты кольца; q — расчетная ветровая нагрузка на 1 м 2 поверхности оболочки; б — эпюра моментов в кольцевом сечении с вертикальными стоиками, имеющими на рассматриваемом уровне одинаковые поперечные сечения, усилия в них можно определить по формуле
- (1.29)
где Р — вертикальная нагрузка (вес элементов сооружения, жидкости, снега) на уровне, где определяется /VCT; т — число стоек; а — угол наклона стоек к вертикали; М — изгибающий момент (находится из расчета опоры как консоли) от горизонтальных нагрузок на уровне, где определяется /VCT; уст/ — расстояние от оси, перпендикулярной плоскости действия М и проходящей через центр тяжести сечения сквозной опоры (на уровне определения NCT) для каждой стойки; у — то же, до центра тяжести сечения рассматриваемой стойки.
По найденным из статического расчета усилиям производят подбор элементов сквозных опор.
Размеры фундамента башни в плане определяют исходя из расчета основания по деформациям на совместное действие нормальной силы с учетом изгиба опоры и крена фундамента. Расчет выполняют для двух случаев: с заполненным или незаполненным баком. Форма эпюры давлений под подошвой фундамента при проверке башни с заполненным баком должна быть трапециевидной с отношением минимального и максимального напряжений не менее 0,25. При проверке башни с опорожненным резервуаром допускается треугольная эпюра напряжений.
Устойчивость башни в целом проверяют расчетом на опрокидывание относительно оси, перпендикулярной плоскости действия опрокидывающего Mv и удерживающего Mh моментов и касающейся края подошвы фундамента. Устойчивость обеспечивается, если (см. рис. 1.24, б):
- (1-30)
- (1.31)
При определении Mh вес элементов башни (при незаполненном резервуаре) принимают с коэффициентом 0,9, не учитывают вес грунта на обрезах фундамента, но учитывают изгиб опорыПри определении Mv принимают расчетное значение ветровой нагрузки.
Крен круглого в плане фундамента водонапорной башни можно определять по формуле где v — коэффициент Пуассона грунта; Е — модуль деформации грунта; d — диаметр подошвы фундамента; М — момент относительно подошвы фундамента от нормативного значения ветровой нагрузки, /И= MJ