22
CASTELE DE APĂ DEFINIŢIE Castelele de apă sunt construcţii inginereşti, alcătuite dintr-un rezervor de apă susţinut la înălţime de către un turn. Castelele de apă au rolul de a înmagazina apa, ridicarea acesteia în rezervor realizându-se prin pompare. Apa înmagazinată este utilizată fie la consumuri diverse, ca unică sursă, fie pentru compensarea presiunii in reţelele de alimentare cu apă, prin efect gravitaţional. ELEMENTE COMPONENTE Fundaţia - tip izolată, elastică; - tip „pahar”; - tip „inel”; Turnul - sistem „cadre spaţiale”, in variantele stâlpi şi grinzi sau stâlpi şi planşee intermediare; - sistem „pereţi continui” (cu sau fără nervuri verticale exterioare, de tip „pilaştri”); Rezervorul (cuva) - secţiune circulară (troncon interior+troncon exterior); - secţiune dreptunghiulară; Pâlniile rezervorului - pâlnia interioară; - pâlnia exterioară;

Castele de Apă

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Proiect tehnologie

Citation preview

Page 1: Castele de Apă

CASTELE DE APĂ

DEFINIŢIECastelele de apă sunt construcţii inginereşti, alcătuite dintr-un rezervor de apă

susţinut la înălţime de către un turn.

Castelele de apă au rolul de a înmagazina apa, ridicarea acesteia în rezervor

realizându-se prin pompare. Apa înmagazinată este utilizată fie la consumuri diverse,

ca unică sursă, fie pentru compensarea presiunii in reţelele de alimentare cu apă, prin

efect gravitaţional.

ELEMENTE COMPONENTE Fundaţia

- tip izolată, elastică;

- tip „pahar”;

- tip „inel”;

Turnul

- sistem „cadre spaţiale”, in variantele stâlpi şi grinzi sau stâlpi şi planşee

intermediare;

- sistem „pereţi continui” (cu sau fără nervuri verticale exterioare, de tip

„pilaştri”);

Rezervorul (cuva)

- secţiune circulară (troncon interior+troncon exterior);

- secţiune dreptunghiulară;

Pâlniile rezervorului

- pâlnia interioară;

- pâlnia exterioară;

Termoizolatia rezervorului (cuvei)

- vata de sticla, vata minerala sau polistiren expandat cu grosimea de 50

mm;

- bariera de vapori – carton sau panza bitumata;

- stratul exterior de protectie al termoizolatiei – tencuiala cu mortar de

ciment-var sau beton sustinute de o plasa din otel beton, ancorata in

Page 2: Castele de Apă

peretii rezervorului cu agrafe metalice, iar in cazul tencuielii si o plasa de

rabit;

Elemente anexă

- scară de acces;

- instalaţia de vizitare a staţiei de pompare (amplasată sub rezervor, in

interiorul turnului);

- instalatiile necesare circulatie apei, de pompare a apei, de alimentare cu

energie electrica, de iluminat, paratrasnet etc.

Page 3: Castele de Apă

TEHNOLOGII DE REALIZARE A TURNURILOR

Pentru structuri cu pereţi continui din beton armatFormele ce se pot conforma sunt: cilindrică, tronconică şi hiperboloid de rotaţie.

Aceste structuri se pot realiza fie in variantă monolită, fie din elemente

prefabricate, asamblate prin precomprimare (mai rar).Pentru formele cilindrice şi

tronconice se utilizează cofraje glisante, iar pentru formele hiperbolice se folosesc

cofraje păşitoare.

Pentru structuri in cadreAceste sisteme se conformează în variantele „stâlpi şi grinzi” sau „stâlpi şi

planşee intermediare”, realizate de regulă din beton armat monolit, pus în lucrare în

cofraje modulate clasice de inventar.

Caracteristici tehnice si constructive (uzuale)

Capacitatea: 50 mc, 75 mc, 100 mc, 200 mc, 300 mc, 500 mc, 1000 mc, 1500

mc, 2000 mc;

Inaltimea turnului: 15 m, 20 m, 25 m, 30 m, 35 m, 40 m;

Diametrul exterior al turnului: 3.50…7.50 m;

Grosimea peretelui turnului: 140…400 mm.

CLASIFICĂRI După scopul înmagazinării:

- pentru apă potabilă;

- pentru apă industrială;

- pentru apă de incendiu;

După modul de exploatare:

- cu înnoire continuă a apei;

- cu regim de funcţionare intermitent;

După forma rezervorului:

- prismatice;

- plăci curbe subţiri de rotaţie;

După compartimentarea rezervorului:

Page 4: Castele de Apă

- cu un rezervor;

- cu rezervoare concentrice;

- cu rezervoare etajate;

După sistemul de izolare termică:

- cu termoizolaţie exterioară;

- cu rezervorul protejat într-o incintă.

Comportarea la cutremur a castelelor de apa

Efectul cutremurelor asupra castelelor de apa:Castelele de apa figureaza printre cele mai sensibile constructii al solicitarile

seismice.Fiind structuri static determinate , la care nu admit comportarea plastica ele

sunt lipsite de posibilitatea redistribuirii meforturilor in cazul solicitarilor mari. Ruperile

sau chiar prabusirile au fost numeroase in cazul mai multor cutremure violente.

Caile de avariere seismica,ca si influenta terenului de fundare, a apei din cuva si

a rezolvarilor constructive au fost evidentiate in urma analizei avariilor suferite de peste

40 de castele de apa din Romania in urma cutremurului din 4 martie 1977. S-au analizat

numai castelele realizate dupa o conceptie constructiva moderna cu turn cilindric din

beton armat executat prin glisare si cuva tronconica.

Avariile produse pot fi incadrate in 4 mari categorii:

-prabusiri,prin ruperea turnului ca urmare a cedarii in sectiunea din apropierea

fundatiei sau la circa 1/3 din elevatie. Cedarea s-a produs in cazurile tipice prin

curgerea armaturii tensionate si strivirea betonului in zona comprimata. Exemple:IMG

Bucuresti (cap 1000 mc, h=30m), IIL Bucuresti (cap 200 mc, h=35m), CA Mihailesti (cap

100 mc, h=25m). Sectiunea afectata a fost la 0.5-0.6m de fundatie iar ruperae a fost

insotita de tasari si rotiri ale fundatiei. In majoritatea cazurilor cuvele au fost pline ,

contribund astfel al sporirea solicitarilor.In categoria cedarilor netipice intra prabusirea

castelului de apa de la FC Bucuresti (cap 500mc, h=32m) prabusirea a avut loc pe

verticala sectiunea de rupere fiind situata la 10 m de sol, drept cauza se considera

Page 5: Castele de Apă

fenomenul de rezonanta dat de vibratia apei din cuva. Cedarea a fost insotita de o

rotire puternica a fundatiei executata pe terenuri mai slabe ( fig a,b)

-crapaturi mari la baza turnului cu zdrobirea betonului si curgerea sau flambarea

armaturii. Astfel de avarii au suferit circa 10 castele din zona Bucuresti, Ploiesti,

Campina,Teleajen. In toate cazurile structurile au fost prea flexibile, cu perioade proprii

1.5-1.6s, faptul care le-a situat in domeniul raspunsului maxim. (fig c)

-fisuri pronuntate netipice in diferite zone ale turnului in special in dreptul golurilor

date de usi si ferestre, in vecinatatea pieselor inglobate in beton (fig d)

-fisuri fine, tipice situate la baza turnului la circa 0.5-0.6m de fundatie. Betonul si

armatura au ramas in limitele comportarii normale fara a periclita stabilitatea structurii

(fig e)

Page 6: Castele de Apă

Analiza avariilor produse au mai aratat ca proportiile avariilor au fost direct legate

de caracteristicile de fundare : terenuri slabe, adancime de fundare mai redusa, gradul

de umplere al rezervorului si de o serie de defectiuni de excutie cum ar fi lipsa de

incastrare a armaturii in findatie , insuficienta armare a golurilor zone cu beton

segregat>

Fara indoiala aceste avarii ale castelelor de apa se datoreaza schmei

constructive insasi, prezentand o concentrare a maselor la inaltime mare fata de sol.In

cazul cutremurelor mai lente cazul cutremurelor vrancene apar fenomene de

rezonanta , perioda proprie de vibratie a castelelor obisnuite fiind de 1-2s. In acelasi

timp insa , compartamentul tunului , cu ruperi in zona superiora , cat si unel;e cazuri de

detasare a cuvei fata de turn indica prezenat unor presiuni hidrodinamice importatnte

generate de oscilatia masei de apa din cupa.

Raspunsul la cutremurCaracteristicile raspunsului la cutremur se pot evidentia ata pe baza observatiilor

facute asupra unor castele de apa solicitate de cutremure cat si prin incercari

experimentale ale unor modele de castele supuse excitatiilor dinamice pe mese

vibrante.

Particularitatea raspunsului seismic al unor asemenea structuri este legata de

faptul ca cea mai mare parte a masei este concentrata la partea superioara. Constructia

poate fi echvalata cu pendul invers cu un singur grad de libertate find static determinata.

Din aceste motive rezervele de rezistenta la actiunea sarciniilor dinamice laterale sunt

minime ductilizarea sectiunilor cu solicitare maxima si aparitia de articulatii plastice nu

conduc la redistribuirea eforturilor si ca urmare la depasirea limitelor elastice de

comportare castelul se prabuseste.

O influenta majora asupra raspunsului seismic este data de terenul de fundare.

Interactiune castelului cu terenul modifica caracteristicile proprii de vibrare si produce fie

o amplificare , fie o atenuare. In cazul mai multor cutremure cu caracteristice similare

castelele de apa sau comportat diferit in functie de natura terenului de fundare.

Gradul de umplere rezervorului are la randul lui influenta directa asupra

raspunsului la cutremur. In cazul cuvelor pline sau aproape pline intensitatea

Page 7: Castele de Apă

raspunsului creste atat datorita cresterii masei de apa cat si ca urmare a oscilatie masei

de apa retinute. Acest fapt a fost evidentiat cantitativ prin incercarile experimentale

efectuate asupra unei cuve tronconice cu capacitate de 300 mc de tipul celor care se

adopta uzual pentru castele de beton armat. Modelul cuvei a fost realizat la scara 1:3.5

si afost incercat pe o platforma vibranta la accelelograme cu durata variind intre 15-32s

cu acceleratii max la domeniul 0.18-0.78g. Perioadele proprii ale apei din cuve au variat

intre 2.5-2.8s iar valaorea presiunilor hidrodinamice masurate au fost de circa 15-20%

din valoarea presiunilor totale.

Incercarile au fost efectuate si pe modele de ansamblu al castelului.

Caracteristicile solicitarii au fost aceleasi iar incercarile au mers pana la rupere. A fost

modelat la aceiasi scara a lungimilor (1:3.5) un castel cu cap 300mc si h=25m. S-au

putut distinge 3 stadii de comportare : inaite de fisurare, dupa producerea fisurarii, la

aparitia cedarii. Perioada fundamentala a crescut de la un stadiu la altul in γ=0.356-

1.057s.

Page 8: Castele de Apă

Pe masura deschiderii fisurilor si aparitiei de crapatu.ri strcutura a devenit mai

flexibila iar capacitatea de amortizare s-a diminuat. Cedarea s-a produs odata cu

aparitia articulatiei plastice la baza turnului.

Influenta elementelor geometrice asupra raspunsului la cutremur a fost

evidentiata prin simulare numerica a raspunsului seismi al unro castele de apa cu

aceiasi conceptie constructiva. In figura 6.12 este prezentata variatia acceleratiei

sesmice max de raspuns si acoef de siguranta la rasturnare in functie de capacitatea

cuvei c , inaltimea H si diametrul acestuia D. Drept cutremur de calcul a fost considerat

cutremurulu din 04.03.1977. Se constata ca pentru o capacitate data a cuvei exista o

anumita inaltime a turnului respectiv un anumit diam al acestuia pentru care raspunsul

este maxim. Aceasta combinatie de valori duce la o perioada proprie fundamentala

apropiata de aceea a cutremurului, demonstrand ca raspunsul seismic al castelelor de

apa este in esenta apropiat de cel al sistemelor cu un singur grad de liberate.

Calculul seismic al castelelor de apa

Metode de abordare a calcului seismicComportarea seismica a castelelor de apa este direct influentata de fenomenele

de interactiune intre apa din cuva si castel respectiv de interactiunea castel-teren de

fundare. Metodele de calcul seismic urmaresc reproducerea intro cat mai mare masura

a acestor particulariltati ale raspunsului seismic.

A) O prima categorie de metode trateaza unitar ansamblul castel-lichid-teren de

fundare, pe baza discretizarii acestuia in elemente finite si a ingrarii numerice a

ecuatiilor generale de echilibru dinamic. Analiza seismica utilizeaza algoritmele clasice

ale metodei elementelor finite adaptate structurilor axial simetrice. Modele matematice

imbunatatite sunt fundamentate pe conceptul de substructuri. Structura castelului de

apa este discretizata in elemente finite, in timp ce lichidul din cuva si terenul e fundare

sunt tratate ca medii continue. Efectul dinamic al apei retinute si reactiunile elastice ale

terenului sunt evaluate analitic sau numeric, in cel de-al doilea caz prin diferente finite

Page 9: Castele de Apă

sau elemnete finite. Desii aceste metode furnizeaza rezultatele cele mai apropiate de

realitate, efortul de calcul este mare si utilizarea lor este inca restransa.

B) O a dua categorie de metode care permit calculul seismic expeditiv in limitele

unei precizii acceptabile se bazeaza pe introducerea unor modele dinamice simple. In

functie de gradele de libertate dinamica acordate se poate studia structura insasi fara

fenomene de interactiune, structura in interaectiune cu apa din rezervor , structura in

interactiune cu terenul de fundare sau structura in interectiune cu lichiodul din rezervor

si terenul de fundare.

Analiza dinamica a ansamblului castel-lichid fundatieAnaliza completa a sistemului cuplat apa-lichid-teren de fundare presupune

rezolvarea ecuatiilor generale de echilibru dinamic, utilizand o descretizare in elemente

finite a intregului ansamblu (fig 6.13a). Se utilizeaza metodele obisnuite din analiza

dinamica si programele existente tratand apa din cuva ca un caz particular de mediu

continuu elastic omogen si izotrop. In acest scop modulul de elasticitate transversal al

apei se considera egal cu 0 pentru a se tine seama ca presiunea in lichid este aceiasi

dupa toate directiile iar tensiunea tangential este nula. Peretii turnului si ai cuvei sunt

discretizati in elemente deplaca curba subtire axial simetrica, iar pa din cuva-fundatia

turnului si terenul de fundare sunt discretizate in elemente spatiale axial simetrice.

Excitatia seismica este introdusa in nodurile de la baza zonei din terenul de fundare ,

introdusa in calcule.

Acest prodedeu de calcul prezinta o serie de avntaje, din care cele mai

importante sunt posibilitatea de a utiliza algoritmele si programele generale de calcul

dinamic si tratarea corecta a cazurilor in care castelul de apa este fundat pe terenuri

slabe si neomogene. Exista insa si o serie de dezavantaje, dintre care sunt de

semnalat:

-numarul mare de elemente finite necesar discretizarii terenului de fundare

reduce numarul de elemente ce poate fi utilizat in discretizarea structurii ca urmare,

precizia de evaluare a raspunsului seismic al stucturii se reduce.

Page 10: Castele de Apă

-in cazul analizei modale cu spectre seismice de raspuns numarul de moduri

proprii inclus in anbaliza creste apreciabil pentru ase obtine un nivel de precizie care sa

fie similar cu acela dat de ingrarea directa a ecuatiilor cuplate.

-definirea acceleratiilor seismice la limita inferioara a discretizarii necesita o

analiza separata, pentru transformarea accelelogramelor de la suprafata terenuli in

accelelograme la nivelul considerat.

O alternativa mai eficace de analiza a ansamblului castel-lichid–fundatie este

analiza pe structuri (fig 6.13b). Structura de rezistenta a castelulului de apa este

discretizata in elemente finite axial simetrice. Apa din rezervor este considerata a fi un

mediu continuu elastic incompresibil. Terenul de fundare este la randul lui un mediu

elstic deformabil.

Page 11: Castele de Apă

Efectelor fenomenelor de interactiunePentru a evidentia cantitativ efectul interactiunii castel de apa- lichid, respectiv

castel de apa-teren de fundare, s-au efectuat o serie de calcule seismice pentru in cstel

de apa asemanator celor tipizate in Romania. Castelul are o capacitae de 500 mc si

h=40m. Dimensiunile structurii si modulul de discretizare in elemente finite sunt indicate

in figura 6-14a . Drept excitatie s-au considerat accelelogramele cutremurelor Taft

(SUA) 21.06.1952 si Vrancea- Bucuresti 04.03.1977. Calculele au fost efectuate prin

metoda analizei modale cu spectre seismice de raspuns , prin integrarea directa a

ecuatiilor de miscare si prin integrarea ecuatiilor dinamice decuplate pe moduri proprii.

In fig 6-14 b sunt prezentate accelelogramele de raspuns ale zonei de contact turn-cuva

la o excitatie data de cutremurul Taft. Accelelograma cutremurului de calcul este redat

in fig 6-14.c.

Page 12: Castele de Apă

In calcule s-a considerat succesiv structura incastrata in fundatie si apa

inghetata, structura incastrata in fundatie si apa vibrand in interactiune cu rezervorul si

ansamblul castel-lichid-teren de fundare in interactiune completa. Se obsrva o

amplificare a raspunsului cu 21% in cazul includerii fenomenului de interactiune cu apa

si o amplificare suplimentara cu 15% in cazul includerii in analiza si a interactiunii cu

terenul de fundare.

Rezultatele obtinute prin integrarea directa corespund foarte bine cu cele

obtinute prin integrarea ecuatiilor decuplate si considerarea primelor 5 moduri de

vibratie si cu acelea obtinute prin analiza modala cu spectre seismice de raspuns si

considerarea celor 6 moduri de vibratie.

In cazul cutremurului Vrancea- Bucuresti raspunsul castelului de apa a fost mult

mai violent ca urmare a coincidentei dintre perioada proprie a structurii cu acea

dominanta a cutremurului. Efectul fenomenelor de interactiune s-a mentinut insa in

aceleasi limite de circa 20% pentru interactiunea cu lichidul di de 12-16% pentru

interactiune cu terenul de fundare.

Modele dinamice simplificateCa urmare a faptului ca masa de paa este concentrata la partea superioara a

castelului, modelul dinamic este pendulul invers fig 6 -15b. Intro prima simplificare

castelul de apa poate fi tratat ca un sistem oscilant cu un singur grad de liberte. Efectul

interactiunii cu apa din cuva se neglijeza iar structura reala se echivaleza cu o bara

incastrata la baza care are masa concentrata in centrul de greutate al ansamblului

cuva- lichid la H, fata de sol. Daca masa lichidului este M , masa cuvei este Mc , iar

masa turnului pe unitatea de lungime µ, masa echivalenta a ansamblului cuva-turn este

data de relatia:

Me= Mc+0.24µH

Mt=M+Me masa totala a sistemului

T=0.2µ*sqrt(rst) perioda fundamentala

rst deplasarea statica orizontala produsa de actiunea unei forte gMt

Page 13: Castele de Apă

Pentru determinarea solicitarilor si eforturilor din sectiunea de incastrare se

evalueaza forta seismica Fs fie utilizand spectrul de acceleratii al cutremurului de calcul,

cu o amortizare egala cu %% din amortizarea critica, fie utilizand recomandarile din

normative.

In primul caz periodei T ii corespunde o acceleratie de raspuns a r si deci forta

seismica va fi:

Fs= ar(M+Me) aplicata la inaltimea He de baza

In al doilea caz forta seismica se calcculeaza cu relatia:

Fs= acβψg(M+Me)

ac – coef seismic de calcul

β=3/T – coef de raspuns

ψ=0.35-coef ce tine seama de capacitatea de amortizare

Page 14: Castele de Apă

Efectul presiunii dinamice a lichidului din rezervor se poate introduce cu

aproximatie prin forta orizontala P , egala cu rezultanta presiunilor hidrodinamice care

actioneaza la baza cuvei. Valoarea acesteia se deterrmina prin integrarea distributiei

presiunilor hidrodinamice.Pentru calcule cuva se considera a fi cilindrica, raza si

inaltimea cilindrului determinandu-se din echivalenta cu forma originala a cuvei, privind

volumul si centrul de greutate al acestuia (fig 6-15.a). Solicitarile se calculeza de

aceasta data pentru forta totala Fs+P.

Un al doilea mod, dealtfel cel mai aplicat, de considerare al efectului dinamic al

lichidului din cuva asupra raspunsului castelului consta in analiza sistemului cu doua

grade de libertate, prezent in fig 6.15, c. Utilizind acelasi concept al maselor

echivalente, indtrodus de Housner la calculul rezervoarelor, Newmark inlocuieste masa

M a lichidului cu M0 solidara cu cuva si o masa M1 care oscileaza legata de cuva

printrun element de rigiditate k1 si inaltime h1.

Pentru a se include in analiza dinamica fenomenul de interactiune castel de apa-

teren de fundare se poate utiliza un model dinamic simplificat, de tipul celui din fig. 6-

16.Fundatia castelului se asimileaza cu o placa rigidaiar castelul se considera a fi un

oscilator simplu liniar. Comportarea ansamblului se poate urmari in fig.6-16,a, iar

modelul dinamic corespunzator este cel din fig.6-16, b.

Page 15: Castele de Apă

Analiza dinamica a castelelor de apa cu cunsiderarea fenomenului de tripla

interactiune sructura-lichid-teren de fundare se poate face pe un modeldinamic cu 4

grade de libertate ca cel din fig.6-17.Doua grade de libertate, de translatie si rotatie, sun

atribuite fundatiei, unul este corespunzator oscilatiilor cuvei, iar cel de al patrulea

oscilatiei apei in cuva. Masa de apa care vibreaza in cuva m1 este circa 0,35-0,37 din

masa totala de apa inmagazinata.

Evaluarea rezistentei si stabilitatii seismiceMetodele de calcul seismic, atit cele ale ansamblului castel-lichid-fundatie, cit si

cele bazate pe modele dinamice simplificate, furnizeaza in final marimea si poizitia

fortelor seismice. Pornind de la aceste, calculele de rezistenta si stabilitate privesc:

-dimensionarea si verificarea rezistentei cuvei, tinind seama si de presiunile

hidrodinamice;

-dimensionarea si verificarea turnului, tin seama si de forta seismica totala,

produsa de forta de initiere a cuvei si de rezultanta presiunilor hidrodinamice;

-verificarea eforturilor pe talpa de fundatie, tinind seama si de efectul momentului

incovoitor introdus de forta seismica totala;

Page 16: Castele de Apă

-verificarea la rasturnare a castelului in jurul extremitatii talpii de fundare, tinind

seama de momentele de rasturnare, introduse de forta seismica totala si se greutatea

prprie a ansamblului lichid-cuva; excentritatea sa fata de axul vertical este egala cu

deplasarea oriyonlala maxima δ, determinat din calculul seismic.

Bibliografie:

-Ingineria seismica a constructiilor hidrotehnice , autori:Radu Priscu, Adrian

Popovici, Dan Stematiu, Lucian Ilie , Constantin Stere , editura Didactica si Pedagogica

-Tehnologii moderne in constructii vol III , autori: Mihai Ghimbu, N. Gheorghiu ,

editura Tehnica