Материал: Справочник проектировщика инженерных сооружений

14.1. Общие сведения

Водонапорные башни — сооружения в систе­ мах водоснабжения, предназначенные для регу­ лирования расхода и напора воды в водопровод­ ной сети, создания ее запаса и выравнивания графика работы насосных станций. Их исполь­

зуют в системах производственного, хозяйствен­ но-питьевого и противопожарного водоснабжения промышленных объектов, сельскохозяйственных комплексов и населенных мест. Запас воды опре­ деляется вместимостью бака, интенсивность на­ пора — высотой башни (расстоянием по вертикали от уровня поверхности земли до низа бака или

его цилиндрической части). Указанные два па­ раметра и положены в основу габаритных схем водонапорных башен; СНиП 2.09.03-85 предусмот­ рены следующие параметры водонапорных ба­ шен:

вместимость баков — 15, 25, 50, 100, 150, 200, 300, 500 и 800 м3;

высота до низа баков кратна 3 и 6 м для баков вместимостью соответственно до 50, 100 м3 и бо­ лее.

Башни с баками вместимостью до 25 м3 включи­ тельно применяет в основном в сельскохозяйст­ венном строительстве; 50...300 м3 — в промыш­ ленном, гражданском и сельскохозяйственном; 500 и 800 м3 в массовом строительстве не исполь­ зуют, так как типовые проекты их не разрабо­ таны.

При описании типовых проектов водонапорных башен приведена область применения башен в зависимости от климатических условий района строительства и характеристик источников водо­ снабжения.

Водонапорные башни оборудуют: центральным подводяще-разводящим стояком

диаметром 300...400 мм, используемым для на­ полнения и опорожнения бака;

переливным стояком диаметром 150...200 мм, предназначенным для предотвращения переполне­ ния бака;

запорной арматурой (ручные или электрифици­ рованные задвижки, тип которых определяется в зависимости от назначения башни и местных ус­ ловий), устанавливаемой в утепленной подземной камере или в специальном колодце;

датчиками уровня воды в баке, передающими информацию на диспетчерский пункт. В качестве молниеприемника используют стальной бак, со­ ответствующим образом заземленный.

Водонапорные башни легко поддаются типиза­ ции. В практике проектирования применяют ти­ повые или одобренные Госстроем СССР прогрес­ сивные экспериментальные проекты; разработка комплексных индивидуальных проектов связана с рядом трудностей.

Задание на проектирование водонапорных ба­ шен должно содержать: данные о назначении баш­ ни; требуемую вместимость бака и высоту башни; данные о климатических условиях района строи­ тельства; характеристику гидрогеологических условий. По ним подбирают типовой проект (с та­ кими или ближайшими большими параметрами) и, при необходимости, корректируют основания и фундаменты башни.

Водонапорные башни, будучи высотными со­ оружениями, играют важную роль в создании архитектурного облика промышленного пред­ приятия, промышленного узла или населенного пункта. При удачном решении башня может быть архитектурным акцентом, улучшающим облик всей окружающей застройки.

В случаях, когда архитектурное решение игра­ ет первостепенную роль, водонапорные башни, по согласованию с Госстроем СССР, можно осу­ ществлять по индивидуальным проектам. Кроме того, иногда требуется возведение башни с двумя или тремя баками различной вместимости, рас­ полагаемыми на разных отметках по высоте, на­ пример, в текстильной промышленности, где на­ личие нескольких баков обусловлено технологи­

ей. Индивидуальные проекты разрабатывают так­ же в тех случаях, когда параметры башни превос­ ходят параметры башен по типовым проектам, и замена одной башни двумя или тремя экономи­ чески нецелесообразна или невозможна по тре­ бованиям технологии или решению генерального плана.

14.2. Конструктивные решения

Основные конструктивные элементы водона­ порных башен — бак, ствол и фундамент. До не­ давнего времени башни проектировали с шатра­ ми — надстройкой, внутри которой размещали бак. Практика эксплуатации водонапорных ба­ шен показала, что устройство шатра необязатель­ но: при наличии обмена воды в баке она не про­ мерзает; если начинает замерзать, то на внутрен­ ней поверхности бака образуется слой льда, слу­ жащий теплоизоляцией и препятствующий даль-

нейшему замерзанию ее. В последние годы водо­ напорные башни проектируют бесшатровыми. При водоснабжении из открытых источников, а также в сложных климатических условиях (в северных районах) башни можно применять с утепленными с наружной стороны баками.

Наиболее опасные для промерзания места — центральный подводяще-разводящий стояк и узел его соединения с баком. Вследствие этого стояк проектируют утепленным, а в узле присое­ динения стояка к баку при сложных климатиче­ ских условиях предусматривают электроподо­ грев.

Теплоизоляцию стояков выполняют из минера­ ловатных плит.

Данные о требуемой толщине теплоизоляции из минераловатных плит с удельным весом у — ~ 1,25 кН/м3 (125 кгс/м3) и теплопроводностью 0,006 ккал/(м • ч °С) в зависимости от темпера­ туры воды источника водоснабжения и расчетной наружной зимней температуры воздуха приве­ дены в табл. 14.1.

Баки. Баки применяют стальные сварные, для башен массового строительства при малой вмести­ мости баков — цилиндрические с плоским дни­ щем, в остальных случаях — с коническим. Баки

ветра. Расчет на нагрузку от ветра производят в соответствии с указаниями «Руководства по рас­ чету зданий и сооружений на действие ветра».

Рассчитывают отдельно баки, стволы и фунда­ менты. При расчете бака одним из основных фак­ торов является горизонтальное (гидростатиче­ ское) давление воды на стенки и на коническое днище бака, на которое воздействует также вер­ тикальная нагрузка ее веса. Покрытие бака, кро­ ме собственного веса, рассчитывают на снеговую нагрузку, выполняют также проверку на отры­ вающее воздействие (отсос) ветра при отсутствии снеговой нагрузки. Ветровую нагрузку на бак учитывают при проверке незаполненного водой бака на отрыв от ствола башни и при расчете крепления бака к опорному кольну. Расчет ци­ линдрической и конической частей бака произво­

ности; г — радиус кривизны оболочки; t — тол­ щина листов оболочки;

для конической части бака

в меридиальном направлении ox — prl2t cos а; (14.3) в кольцевом направлении а2 = prit cos а, (14.4) где а — угол наклона образующей конической части к вертикали.

Приведенные формулы справедливы для всей поверхности оболочек, кроме тех участков, где возникает краевой эффект — в местах пересече­ ния оболочек различных форм, на участках по­ становки колец жесткости, перепадов толщин, сосредоточения или резкого перепада нагрузок. В этих участках помимо осевых усилий А/, опре­ деленных по безмоментной теории, возникают изгибающие моменты М и поперечные силы Q, которые быстро затухают и распространяются на сравнительно небольшую зону. Тем не менее учет их обязателен в расчетах и в конструкции баков. Усилия М и Q — неизвестные, определяемые методами строительной механики (сил либо пере­ мещений).

Расчет стволов и фундаментов башен произво­ дят на две комбинации нагрузок — с заполненным и незаполненным водой баком: с заполненным во­ дой баком и при облегченной конструкции ствола (например, при рамных стволах) допускается вы­ полнять расчет как для сооружений с сосредото­ ченной массой, расположенной в уровне центра тяжести бака; с незаполненным баком динамиче­ скую составляющую ветровой нагрузки опреде­ ляют, как для сооружений с распределенной по высоте ствола массой. Кроме этого выполняют проверку на резонанс колебаний в соответствии с требованиями «Руководства по расчету зданий и сооружений на воздействие ветра», а также удель­ ных краевых давлений на грунт, крена и осадки.

Эпюра давлений под подошвой фундамента на грунт принимается при баке:

заполненном водой — трапециевидная с отно­ шением

° т ^ ° т а х > 0 >25'>

незаполненном — треугольная

Двузначная эпюра давлений под подошвой не допускается.

Крен башни в пределах tg а ^ 0,004. Если в результате расчета получить крен башни в ука­ занных пределах невозможно, следует переходить к искусственным (например, свайным) основани­ ям. Сечения элементов башни подбирают по соот­ ветствующим нормативам в зависимости от мате­ риала конструкции. Крен и осадку фундамента определяют по СНиП 2.02.01-83.

14.4. Типовые проекты башен

Типовые проекты башен с кирпичными ствола­ ми (рис. 14.1, табл. 14.2...14.6). Башни с баками вместимостью 15 и 25 м3 предназначены для систем сельскохозяйственного водоснабжения и в водо­ проводах небольших предприятий; вместимостью 50.. .300 м3 — для систем хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения при расчет­ ной зимней температуре —20, —30 и —40 °С (типовые проекты 901-5-14/70 и 901-5-20/70 только для районов с температурой —20 и —30 °С), с обычными геологическими условиями (при от­ сутствии грунтовых вод), с нормативнЫхМ давле­ нием снегового покрова 1,00 кПа (100 кгс/м2) для типовых проектов 901-5-14/70, 901-5-20/70 и 901-5-21/70 и 1,5 кПа (150 кгс/м2) для остальных типовых проектов, с нормативным напором ветра 0,450 кПа (45 кгс/м2) и сейсмичностью не выше 6 баллов.

Башни состоят из стального бака, кирпичного ствола и железобетонного фундамента.

Баки с плоским днищем при их вместимости 15.. .50 м3 и коническим для всех остальных объ­ емов из стали ВК СтЗкп при расчетной зимней температуре воздуха —20...—30 °С и из стали марки ВК СтЗпс при —40 °С.

Вариант с неутепленным баком рекомендуется к применению при водоснабжении из подземных источников с температурой воды не ниже + 4 °С и обмене ее в баке не реже двух раз в сутки. При расчетной зимней температуре воздуха до —30 °С, а также при водоснабжении из открытых источников при расчетной зимней температуре воздуха до —20 °С бак утепляют минераловатны­

и предусматривают электроподогрев верхней час­ ти напорно-разводящего стояка. Бак служит молниеприемником, для чего его соединяют токоотводом с заземляющим устройством. Лестницы на бак стальные, для малых башен с вместимостью баков 15...25 м3 — наружные; при большей вме­ стимости и высоте лестницы и площадки распо­ лагают внутри ствола и предусматривают на­ ружную вертикальную лестницу только в преде­ лах высоты бака.

Стволы башен приняты цилиндрической формы из кирпича марки 75 и 100 на растворе марки 50.

Фундаменты из монолитного железобетона со­ стоят из цилиндрической части, в объеме которой расположена запорная арматура, и круглой фун­ даментной плиты с консолями.

Типовой проект стальных башен 901-5-29 (рис. 14.2, табл. 14.7). В его составе башни с ба­ ками вместимостью 15, 25 и 50 м3 при высоте опор высотой 12, 15 и 18 м, используемые в сель­ скохозяйственном строительстве.