Материал: Справочник проектировщика инженерных сооружений

верхности. Бункера и силосы различают между собой способами определения давления сыпучих материалов на их стенки: влияние трения на стен­ ки бункеров не учитывается, давление на стенки силосов находят с учетом сил трения сыпучих материалов о стенки емкостей.

Форма бункера зависит от его назначения, ком­ поновки сооружения, требуемого запаса материа­ ла, его физических свойств, типа несущих конст­ рукций. Рекомендуемые типы бункеров по форме: пирамидально-призматические, конусно-цилинд­ рические, лотковые, гибкие.

Наиболее распространены в промышленном строительстве пирамидально-призматические бун­ кера (прямоугольные и квадратные). Конусно­ цилиндрические бункера более экономичны по сравнению с ними, так как конструкция работает на растяжение без изгиба, но пирамидально-приз­ матические бункера проще при изготовлении, луч­ ше вписываются в габариты зданий и занимают меньше производственной площади.

Квадратные и прямоугольные бункера состоят из верхней призматической части, создающей необходимую емкость, и нижней пирамидальной (воронки), обеспечивающей разгрузку бункера. Для полного опорожнения бункера углы наклона стенок воронки должны соответствовать физи­ ческим свойствам сыпучего материала запол­ нения.

Для получения более экономичного решения целесообразно увеличивать высоту призматиче­ ской части бункера, так как это ведет к уменьше­ нию расхода материала конструкций на единицу емкости.

В зависимости от расположения выпускного отверстия в плане пирамидальные бункеры под­ разделяются на симметричные — при наличии двух осей симметрии, частично симметричные — при наличии одной оси симметрии и несимметрич­ ные. Наиболее экономичны и просты в изготовле­ нии пирамидальные квадратные в плане с симмет­ ричной воронкой. При проектировании бункеров стремятся к упрощению конструктивных форм в увязке с требованиями технологии и индустриальности конструкций.

Лотковые бункера, представляющие собой ко­ роткую складку, становятся особенно выгодными при шаге колонн в одном направлении более 6 м, так как позволяют учесть работу лотка как склад­ чатой конструкции, способной нести вес бункера с заполнением и перекрытием. Лотковые бункера обладают высоким коэффициентом использования объема и значительной вместимостью. Полное опорожнение таких бункеров обеспечивается за­ полнением мертвого пространства устройством набетонки из тощего бетона.

Бункера с плоским днищем ящичного типа от­ личаются простотой конструкции. Полное опо­ рожнение таких бункеров также обеспечивается устройством набетонки на днище или комбинации набетонки со стальными воронками.

Бункера могут располагаться внутри здания и быть связаны с его несущими конструкциями. При этом размеры бункеров и их конструктивные решения зависят от общего решения здания. Если бункера располагаются внутри здания, но не связаны с его несущими конструкциями, а также в случае их использования в качестве отдельно стоящих сооружений, их размеры и конструктив­

ные решения определяются другими факторами: вместимостью склада, габаритами оборудования и транспорта и т. п.

Гибкие бункера представляют собой стальную цилиндрическую оболочку неограниченной дли­ ны, подвешенную по двум сторонам, которая под давлением сыпучего материала принимает очер­ тание по цепной линии независимо от первона­ чальной формы. В силу этого стенки работают в основном на растяжение и не возникает проблемы обеспечения их устойчивости, в связи с чем можно

бункеров по сравнению с другими типами относят-

д

Рис. 1 2 .1. Разно­ видности бунке­ ров:

а — пирамидаль­ но-призматиче­ ские; б — конус­ но-цилиндриче­ ские; в — лотко­ вые; г — гибкие (параболические); д — ящичные; е — многоячейковые.

ся прежде всего их экономичность, простота и сравнительно невысокая трудоемкость изготовле­ ния и монтажа, а также эстетичность. Основные недостатки — большая деформативность стенок и наличие объема неразгружаемого пространства (иногда значительного). Бункера проектируют в соответствии со СНиП 2.09.03-85.

Выбор конструкций отдельных элементов бун­ керных установок, их параметров зависит от свойств тех насыпных материалов, для которых предназначена проектируемая установка. Основ­ ные свойства сыпучих материалов: фракционный состав, влажность, удельный вес, абразивность.

Проектирование бункера включает два этапа: определение геометрических параметров — формы бункера и его воронки, углов наклона стенок, раз­ меров выпускного отверстия; расчет и проектиро­ вание конструкций бункеров и их защиты от абразивного износа.

Параметры находят на основании физико-меха­ нических характеристик сыпучего материала с учетом неблагоприятных их изменений, при этом

должны исключаться сводообразование над вы­ пускным отверстием и зависание на стенках.

Порядок определения геометрических парамет­ ров различается для связных (фракции менее 2 мм и с влажностью более 1...2 %) и несвязных (ще­ бень, галька и другие материалы с крупностью зерен 2 мм и более, а также песок с фракциями до :2 мм и влажностью до 2 % ) сыпучих материалов.

При проектировании бункеров принимают во внимание формы истечения сыпучего материала — гидравлическую, при которой находится в движе­ нии сыпучий материал во всем объеме бункера, и негидравлическую, при которой движется толь­ ко центральная часть над выпускным отверстием. Для связных или самовозгорающихся сыпучих материалов проектируют бункера с гидравличе­ ской формой истечения, для несвязных — с не­ гидравлической .

10/ — для бункеров с прямоуголь­ ной формой выпускного отвер­

40квадратным отверстием; <р — угол трения сыпучего материала по стенке бункера; а — угол на­

10 20 зо <х7град клона стенки к горизонтали.

Бункера негидравлического истечения для не­ связных материалов могут быть различной фор­ мы. Для них нормируется только размер выпуск­ ного отверстия, который зависит от размера мак­ симального куска сыпучего материала. Угол на­ клона стенок воронки произвольный. Если по условиям технологии требуется полное опорожне­ ние бункера, его принимают по углу естественно­ го откоса сыпучего материала с превышением последнего на 5...7°.

Бункера для связных материалов с целью обес­ печения гидравлической формы истечения назна­ чают конического, пирамидального или лотково­ го типов. Угол наклона стенок и размеры выпуск­ ного отверстия рассчитывают на основании фи­ зико-механических характеристик сыпучего ма­ териала: угла внутреннего трения (угол естест­ венного откоса не допускается), удельного сцеп­ ления, угла внешнего трения (угол трения сыпу­ чего материала по материалу стенок бункера), эффективного угла трения, функции истечения,— определяемых с помощью приборов, измеряющих сопротивление сыпучего материала на сдвиг. Угол наклона допускается выбирать приближенно по графикам рис. 12.2. Объемно-планировочное ре­ шение бункерного пролета здания устанавливают после определения геометрических параметров бункеров. Бункерные пролеты должны иметь унифицированные сетки колонн и высоты этажей.

При проектировании обеспечивают максималь­ ное использование всего геометрического объема бункера (не менее 80 % при загрузке).

Бункера проектируют железобетонными и стальными. Стальными допускается проектиро­ вать воронка, сужающиеся части бункеров, пара­ болические (висячие), а также бункера, которые по технологическим условиям подвергаются меха­

ническим, химическим и температурным воздейст­ виям сыпучего материала и не могут быть выпол­ нены из железобетона.

Внутренние грани углов бункеров для связных материалов проектируют с вутами или закругле­ ниями; для пылевидных — герметичными, для пылящих (сухие кусковые материалы горных пород малой крепости, например, известняк) бун­ кера оборудуют аспирационными установками.

Внутренние поверхности бункеров разделяют на участки, подвергающиеся износу (I и II зоны) и не подвергающиеся (III зона).

При сочетании истирающего воздействия, вы­ сокой температуры и химической агрессии сы­ пучего материала внутренние поверхности бунке­ ров защищают плитами из шлакокаменного литья, износо- и жаростойкого бетона (с заполнением швов раствором кислото- и жаростойких соста­ вов), а также в отдельных случаях листами из соответствующих видов стали (термостойких и др.).

При эксплуатации бункеров в агрессивной и газовой средах их наружные поверхности защи­ щают от коррозии в соответствии с требованиями СНиП 2.03.П-85.

При проектировании бункеров для влажных сыпучих материалов, располагаемых в неотапли­ ваемых помещениях, предусматривают эффектив­ ный обогрев их стенок в целях предотвращения смерзания материала. Утеплитель стен бункеров для пылевидного материала во избежание кон­ денсации водяных паров располагают снаружи и выполняют из несгораемых материалов. При проектировании бункеров для связных материа­ лов, поступающих в нагретом или смерзшемся состоянии, предусматривают теплоизоляцию стен бункеров в соответствии с теплотехническим рас­ четом, исключающим конденсацию водяных паров при нагретом материале, а также примерзание к стенкам смерзшегося материала.

Перекрытия бункеров должны быть несгорае­ мыми с проемами для загрузки. Если загрузка производится из вагонов, автомашин, грейферов, допускается бункер без перекрытия, но при этом обязательно устройство сплошного Ограждения высотой не менее I м с боков и со стороны, проти­ воположной загрузке. Необходимость устройства стальных решеток для перекрытия технологиче­ ских проемов и размер ячеек решеток определяет­ ся технологическим заданием.

В бункерах для пылевидных материалов сверху перекрытия устраивают монолитную армирован­ ную стяжку толщиной 50 мм, если толщина плит в месте стыка 100 мм и менее; для горячих сыпу­ чих (в стальных — при температуре нагрева выше 300, в железобетонных — выше 100 °С) между износостойкой защитой и несущей конст­ рукцией — термоизоляцию из несгораемых мате­ риалов.

В бункерах для хранения сыпучих материалов, выделяющих воспламеняющиеся газы (например, метан из каменного угля), конструкция перекры­ тия не должна иметь выступающих вниз ребер. В перекрытиях предусматривают люки, закры­ ваемые заподлицо с перекрытием металлическими крышками; в надбункерном помещении — подъ­ емно-транспортные устройства, а внутри.бунке­ ров снизу перекрытий — петли для крепления та­ лей и других монтажных средств.

Бункера оснащают устройствами для механи­ ческой очистки стенок и удаления зависшего сы­ пучего материала в целях исключения необходи­ мости спуска людей в бункера.

При проектировании бункеров следует также руководствоваться общими нормами проектиро­ вания строительных конструкций, перечислен­ ными в гл. 1 .

12.2. Конструктивные решения

Конструктивные решения и выбор материала бункера зависят от многочисленных факторов: вместимости, характеристики сыпучего материа­ ла, способов загрузки и выгрузки, типов несу­ щих конструкций и компоновки здания или сооружения, в состав которого входит бункер. Только разграничением бункерных установок по мощности переработки сыпучих материалов, упо­ рядочением технологических потоков, отработ­ кой наиболее рациональных конструктивных схем бункерных зданий и сооружений представ­ ляется возможность разработать типовые унифи­ цированные взаимозаменяемые бункеры и их элементы.

По материалу конструкций бункера можно раз­ делить на железобетонные (монолитные и сбор­ ные), комбинированные и стальные.

Монолитные железобетонные бункера наиболее распространены в промышленном строительстве, что объясняется следующими обстоятельствами: одновременно возводится незначительное коли­ чество одинаковых бункеров, и это не дает воз­ можности полностью использовать преимущества сборных конструкций; они могут быть любой вместимости и формы в соответствии с требования­ ми технологии и возводиться при любой степени механизации строительных работ, не требуя больших затрат на эксплуатацию. И х применяют в основном в зданиях или отдельных сооружениях из монолитного железобетона. Недостатки моно­ литных бункеров, часто приводящие к увеличе­ нию сроков строительства: необходимость устрой­ ства лесов и сложной опалубки; большая трудоем­ кость установки арматуры из отдельных стержней со сложной конфигурацией и переменной длиной; трудность бетонирования наклонных граней во­ ронки с постепенным наращиванием внутренней опалубки. Число этих неблагоприятных факто­ ров можно несколько уменьшить, применяя для армирования сварные арматурные сетки и объ­ единяя их в несущие пространственные каркасы.

Сборные железобетонные бункера по сравнению с монолитными менее трудоемки в изготовлении. При их проектировании особое внимание уделяют назначению основных геометрических размеров, схемам членения на составные части, узлам сопря­ жений пирамидальных и призматических частей и узлам опйрания воронок (или призматических форм) на колонны, стены и другие элементы конст­ рукций. Сборные железобетонные бункера монти­ руют из ребристых или плоских плит при решении всего каркаса здания в сборных конструкциях.

С целью уменьшения числа типоразмеров конст­ рукций рекомендуется применение бункеров наи­ более простых геометрических форм с использова­ нием типовых сборных железобетонных плит меж­ дуэтажных перекрытий или стен подвальных по­

мещений, либо плит с усиленным индивидуаль­ ным армированием в опалубке типовых ребристых или многопустотных плит. Бункера ящичного ти­ па, лотковые и призматическая часть пирами­ дальных лучше остальных решаются в сборном железобетоне. Сборные плиты стен и днища ящичных и лотковых бункеров опираются на сборные ригели и соединяются между собой и ри­ гелями сваркой закладных деталей. Стыки между плитами заливают бетоном на мелком заполни­ теле.

Призматическую часть пирамидальных бунке­ ров собирают из сборных железобетонных много­ пустотных плит, устанавливаемых друг на друга на растворе. В углах плиты сопрягаются между собой, образуя жесткую пространственную конст­ рукцию, способную нести горизонтальную на­ грузку от сыпучего материала заполнения и вер­ тикальную от собственного веса, надбункерного перекрытия и шатра. Сборные железобетонные элементы бункеров выполняют с предваритель­ ным напряжением арматуры, что обеспечивает их большую трещиностойкость.

Сопряжение плит в узлах жесткое, рамное, сборно-монолитное с петлевыми выпусками ил» с помощью сварки закладных и накладных эле­ ментов. Основные несущие колонны в пределах призматической части не продолжаются, а закан­ чиваются на уровне опирания воронки. Элементы сборных железобетонных бункеров выполняют с учетом унификации их размеров. Размеры сетки бункеров 6 X 6 , 6 X 9 и 6 X 12 м. Применение несимметричных бункеров или воронок допус­ кается только при наличии специальных техноло­ гических требований.

В соответствии с ТП 101-81* конструкции погрузочных и приемных шихтовых бункеров проектируют железобетонными. Учитывая, что материал в приемные бункера поступает в виде крупных кусков и обломков, их целесообразно выполнять монолитными, погрузочные, исполь­ зуемые для накопления и хранения переработан­ ной шихты — сборными или комбинированными.

Пирамидальную часть бункеров в сборном же­ лезобетоне решить сложно. Применение комбини­ рованных конструкций со стальными воронками значительно упрощает возведение бункеров и де­ лает возможным более полное удовлетворение требований технологии (воронки несимметрич­ ные, с дополнительными выпускными отверстия­ ми). Стальная воронка самостоятельно опираете» на колонны и не передает вертикальной нагрузки на сборные железобетонные плиты призматиче­ ской части бункера. Возможно присоединение стальной воронки к железобетонным или сталь­ ным балкам. Расчет и конструирование железобе­ тонных стен призматической части бункеров производится в соответствии с п. 12.3, стальной воронки — п. 1 2 .6 , независимо от железобетон­ ных конструкций.

Стальные бункера широко распространены и промышленном строительстве и наиболее рацио­ нальны при индустриальных методах возведенив сооружений.

В соответствии с указаниями ТП 101-81* сужающиеся части бункеров, параболические (ви­ сячие) бункера, оперативные бункера комбикор­ мовых заводов, а также воронки бункеров всех типов допускается выполнять стальными.

12.3. Расчет

Нагрузки и воздействия. Конструкции бункера рассчитывают на действие нагрузок временной от веса сыпучего материала, заполняющего бункер (удельный вес принимают по технологическому заданию), постоянных от собственного веса кон­ струкций и футеровки, а также постоянных и временных от надбункерного перекрытия; конст­ рукции бункера в целом — на общий изгиб, учитывающий пространственную работу его; стен­ ки бункера — на растягивающие усилия в гори­ зонтальном и скатном направлениях и изгибаю­ щие моменты от местного изгиба из плоскости стенок.

Рис. 12.3. Геометрические параметры бункера:

1 , 2 — центр основания соответственно верхнего и нижнего; 3 — центр тяжести бункера; 4 — ребро.

Давление сыпучего материала на стенки бунке­ ра принимают как для подпорной стенки без учета сил трения между сыпучим материалом и стенка­ ми бункера; нагрузки от него — по нормативному удельному весу с коэффициентом надежности по нагрузке 1,2.

Динамическое воздействие сыпучего материала учитывается для расчета стенок и днища бунке­ ров при загрузке бункеров:

крупнокусковым материалом или сыпучим, за­ гружаемым в бункер думкарами, самосвалами и грейферами; коэффициент надежности по динами­ ческой нагрузке 1,5; “ из’'емкостей, которые по вместимости составля­

ют значительную часть вместимости бункера (кро­ ме вышеуказанных); коэффициент надежности по динамической нагрузке см. ниже *.

* Здесь и далее в таблицах и выводах гл. 12 при­ ведены данные из «Руководства по расчету и проек­ тированию железобетонных, стальных и комбиниро­ ванных бункеров» (Лен. ПромстройНИИпроект,— М., 1983)

Коэффициент надежности по динамической нагрузке

Отношение объема единовременно загру­ жаемой массы к объему бункера

Пирамидально-призматические бункеры пред­ ставляют собой многогранные пространственные конструкции, в которых грани стены вовлекаются в совместную работу, благодаря чему достигается высокая общая жесткость. Бункер расчленяют на отдельные плоские грани каждой стороны, состоя­ щие из вертикальной и наклонной стен, которые рассчитываются на давление сыпучего материала заполнения независимо одна от другой.

Геометрические параметры бункера. Для наи­ более общего случая пирамидально-призматиче­ ского прямоугольного несимметричного бункера (рис. 12.3) основные геометрические данные опре­ деляются по следующим формулам.

Полный объем бункера

где Vn, VB — объем соответственно призматиче­ ской части и пирамидальной (воронки), м3.

КоординатьГ центра тяжести объема бункера:

где ф = [(ах + ag) (Ьх + b2) + 2ах • Ьгу\2У .

где п — номер рассматриваемой стенки.

Длина ребра, образованного пересечением сте­

Давление сыпучего материала на стенки бунке­ ра. Для расчета любого элемента бункера необхо­ димо определить давление сыпучего материала заполнения на его стенки, которое зависит от физико-механических свойств сыпучего материа­ ла, высоты столба материала, расположенного выше рассматриваемой точки, и наклона стенок бункера к горизонту. Направление давления при­ нимается перпендикулярным к поверхности стены в данной точке (рис. 12.4). Давление на стены бункера находят на основании теории сыпучих

тел (как активное в неограниченном массиве) в предположении отсутствия трения между стенка­ ми бункера и заполняющим его материалом, при этом принимается, что бункер заполнен сыпучим материалом до уровня верха призматической части. Нормативное вертикальное давление на горизонтальную плоскость, расположенную на

Рис. 12.4. Эпюра давления сыпучих материалов на стен­ ки бункера.

расстоянии h от уровня верха засыпки, в любой точке бункера определяется как гидростатическое

где у — удельный вес сыпучего материала запол­ нения, кН/м3.

Нормативное горизонтальное давление в любой

ср — угол внутреннего трения сыпучего мате­

Физико-механические характеристики ряда ма­ териалов приведены в табл. 1.3.

Нормативное нормальное давление сыпучего материала заполнения на наклонные стенки бун­

Коэффициент I характеризует эллиптический закон изменения давления на наклонную площад­ ку при изменении угла наклона площадки a (табл. 12.1).

Давление на наклонные стенки бункера изме­ няется пропорционально глубине и достигает наибольшего значения внизу, у выпускного от­ верстия.

В ряде случаев при расчете наклонных трапе­ цеидальных стенок пирамидальной части бункера для удобства пользования существующими таб­ лицами необходимо приводить давление на на­ клонные стенки к среднему равномерно распре­ деленному нормальному. Для общего случая пирамидального бункера (рис. 12.5) нормальное среднее давление, кПа

Pmt = VhlV 3 (1 + ° l/(al + “2) + З М н )- (12.16)

Давление от постоянных нагрузок. Давление от собственного веса наклонной стенки и футе­ ровки (рис. 12.6)

Рис. 12.6. Нормальные и касательные давления от постоянных нагрузок.

где g — распределенная нагрузка от собственного веса стенки и футеровки, кПа.

Для вертикальной стенки при a — 90°

gn = 0; gt = g ■

Для горизонтального днища при a = 0

gn = g\ gt = 0.

Для определения усилий необходимо суммиро­ вать давления, нормальные к стенкам, от вре­ менных и постоянных нагрузок.