Структурные реакции железобетонных свайных фундаментов на давление сжатого воздуха для хранения возобновляемой энергии | Международный журнал бетонных конструкций и материалов | Полный текст

Конструктивные реакции железобетонных свайных фундаментов на давление сжатого воздуха для хранения возобновляемой энергии

Система хранения возобновляемой энергии предлагается в рамках междисциплинарного исследовательского проекта. В этой системе используются фундаменты из железобетонных свай для хранения возобновляемой энергии, вырабатываемой солнечными панелями, прикрепленными к строительным конструкциям. Возобновляемая энергия может храниться в виде сжатого воздуха внутри свайного фундамента с полым сечением. Свайный фундамент должен выдерживать сложные комбинированные воздействия, включая структурные нагрузки, воздействие грунта и давление, создаваемое сжатым воздухом, поэтому для обеспечения достаточной безопасности конструкции требуется тщательный анализ и расчетные соображения. В данной статье представлены результаты аналитических исследований структурных реакций энергетических свай при этих комбинированных нагрузках. Свайные фундаменты были спроектированы на основе современных методов проектирования зданий различной геометрии, включая количество этажей и расстояние между колоннами. Величина атмосферного давления была определена из термодинамических циклов доступной возобновляемой энергии для хранения с учетом геометрии здания и свайного фундамента. Анализ методом конечных элементов был проведен с использованием упругой трехмерной модели для определения критических растягивающих напряжений свайного фундамента. Эти критические растягивающие напряжения были использованы для определения необходимой арматуры в секции сваи. На этой основе было проведено несколько нелинейных анализов конечных элементов с использованием неупругих конститутивных моделей материалов для исследования структуры трещин полого бетонного сечения. Наконец, были представлены рекомендации по правильному практическому проектированию свайного фундамента, служащего накопителем возобновляемой энергии.

Введение

Одним из эффективных способов использования возобновляемой энергии является своевременная подача электроэнергии для повседневной эксплуатации зданий, которая получается непосредственно от солнечных батарей или ветряных мельниц, прикрепленных к зданиям (Hayter and Kandt 2011). Однако солнечная и ветровая энергия имеют непостоянный характер, так что их доступность существенно зависит от климата и суточных циклов (Руголо и Азиз, 2012). Эта прерывистая характеристика возобновляемой энергии требует эффективных методов хранения энергии, чтобы своевременно привести генерируемую возобновляемую энергию в соответствие с потребностями клиентов. Таким образом, в рамках междисциплинарной исследовательской программы была разработана новая система хранения возобновляемой энергии (Сабирова и др., 2016; Тулебекова и др., 2017), и основной особенностью этой системы является использование железобетонных (ЖБ) свайных фундаментов для хранения возобновляемая энергия, вырабатываемая солнечными панелями, прикрепленными к строительным конструкциям. Возобновляемая энергия может храниться внутри железобетонного свайного фундамента с использованием так называемой технологии накопления энергии на сжатом воздухе (CAES), называемой здесь сваей CAES. CAES — один из многообещающих методов с высокой надежностью, экономической целесообразностью и низким воздействием на окружающую среду (Cavallo 2007; Lund and Salgi 2017). Однако применение CAES в строительных конструкциях весьма ограничено из-за присущих ему трудностей с определением надежных, безопасных и экономичных носителей данных (Zhang et al. 2012). Некоторые примеры применения можно найти в других местах (например, завод McIntosh в США и завод Huntorf в Германии), которые в настоящее время применяются только на электростанциях с большими подземными кавернами.

Читайте также:
Лучший лак для лодок: 7 лучших вариантов для блестящих изделий из дерева

Чтобы преодолеть такое ограничение, в этом исследовании в качестве резервуара для хранения энергии использовался фундамент из железобетонных свай с полым сечением, что приводит к уменьшению эффективной площади поперечного сечения конструкционной бетонной сваи. Кроме того, в свайном фундаменте ожидаются более сложные условия напряжения из-за комбинированных нагрузок среди конструкционных нагрузок от надстройки, воздействия грунта и давления сжатого воздуха внутри сваи. В этой статье представлены результаты аналитического исследования поведения конструкции сваи CAES при комбинированном нагружении с помощью подробного анализа методом конечных элементов. Свайный фундамент спроектирован на основе современных методов проектирования с учетом различной геометрии зданий, таких как количество этажей и расстояние между колоннами. Величина давления сжатого воздуха определяется из термодинамических циклов в ЦАЭС для доступной возобновляемой энергии с учетом геометрии здания и свайного фундамента. Анализ конечных элементов был проведен с использованием упругой трехмерной модели для определения критических растягивающих напряжений, возникающих в свайном фундаменте, и эти растягивающие напряжения используются для определения необходимого количества кольцевой арматуры для надлежащего контроля трещин. Затем проводится нелинейный анализ конечных элементов для исследования реалистичных моделей трещин в бетонных сваях, надлежащим образом армированных кольцевой арматурой.

проверка данных

Напряженное состояние в свайном фундаменте

Свайный фундамент подвергается комбинированным конструкционным нагрузкам и внутреннему давлению воздуха. На рис. 1 показаны напряженные состояния свайного фундамента. Как показано на рис. 1а, на сваю действует конструкционная нагрузка (NP), граничные силы грунта, в которые входит трение вала о грунт (f), концевой подшипник (B), и боковое давление грунта (Po), а давление воздуха на внутреннюю поверхность сваи (P). В свайном бетонном сечении внутренние сопротивления под нагрузкой конструкции, в том числе вертикальной (σv,S), окружной (σh,S) и радиальный (σr,S) напряжения развиваются, как показано на рис. 1б. Под действием вертикальной нагрузки все эти напряжения вызывают сжатие свайного фундамента. С другой стороны, под давлением воздуха (P), вертикаль (σv,P) и окружной (σh,P) напряжения вызывают растягивающие напряжения в сечениях свайного фундамента, а радиальные напряжения (σr,P) вызывает сжатие (см. рис. 1в). Когда давление воздуха намного больше, чем боковое давление грунта и вертикальная нагрузка на конструкцию, комбинированная нагрузка может вызвать окружную (σh,S+P) или даже вертикальный (σv,S+P) растягивающие напряжения (см. рис. 1г). Эти растягивающие напряжения могут привести к растрескиванию бетона, а также могут привести к утечке давления воздуха или даже к катастрофическому разрушению свайного фундамента.

Читайте также:
Преимущества и недостатки электрического отопления

рис. 1

Напряженные состояния свайного фундамента: a приложенные нагрузки; b напряжения под конструкционной нагрузкой; c напряжения под внутренним давлением воздуха; d напряжения при комбинированной нагрузке.

Подобные окружные растягивающие напряжения также наблюдались в конических бетонных резервуарах для хранения жидкости из-за гидростатического давления (Азаби, 2014). Бетонный резервуар, как правило, спроектирован так, чтобы не растрескиваться под действием окружного растягивающего напряжения в соответствии с ACI350 (2014). Однако ожидается, что давление сжатого воздуха будет намного больше, чем гидростатическое давление (около 0.5 МПа) в бетонном резервуаре, и, таким образом, может быть нецелесообразно поддерживать целостность бетонной секции в свае CAES. Более того, бетонный резервуар имеет гораздо меньшую толщину стенок, чем свайный фундамент, и распределение окружных растягивающих напряжений в свайном фундаменте неравномерно, как это наблюдается в тонкостенном бетонном резервуаре. Поэтому возможно, что трещины растяжения могут не проникнуть во все сечение свайного фундамента. Распределение растягивающих напряжений в упругих круглых полых профилях можно определить с помощью уравнения Ламе (Пурушотама и Рамасами, 2010). Исходя из этого, окружное растягивающее напряжение для упругого толстостенного сечения под действием внутреннего или внешнего давления может быть рассчитано следующим образом:

в котором ri и ro – внутренний и внешний радиус соответственно, и r радиус в интересующей точке. Это приближенное решение может только предсказать окружное напряжение для линейно-упругих материалов, и оно будет использоваться для сравнения с результатами конечных элементов, описанными далее в этой статье.

Термодинамические циклы в КАЭС

В одной из технологий хранения энергии на сжатом воздухе используется усовершенствованный адиабатический процесс (Ассоциация хранения энергии, 2018 г.). Этот процесс включает четыре термодинамических цикла, в том числе: (1) сжатие; (2) охлаждение; (3) отопление; (4) расширение. Процесс иллюстрируется рис. 2.

рис. 2

Термодинамические циклы ЦАЭС.

Процесс сжатия

Процесс сжатия можно идентифицировать, используя принцип сохранения энергии. Для упрощения предполагается условие изоэнтропического адиабатического сжатия, а энергетический баланс для идеального двухатомного газа можно выразить на основе Al Shemmeri (2010) следующим образом:

в котором w работа компрессора (J), n – количество воздуха, проходящего через компрессор (моль), T – абсолютная температура воздуха (К), R – универсальная газовая постоянная, а 8.31 Дж/моль. K был принят в этом исследовании. T1 температура окружающего воздуха, а T2 – температура воздуха после процесса сжатия. Электроэнергия, вырабатываемая солнечной панелью ( (dot_) ), может использоваться для питания компрессора на основе принципа энергетического баланса следующим образом:

Читайте также:
Как расставить мебель с угловым камином — обстановка на четверых

где (точка) – скорость потока воздуха через компрессор (моль/с), а η1 является эффективностью сжатия. Количество воздуха, аккумулированного в носителе, можно выразить как функцию времени сжатия (t):

в котором t время сжатия в секундах, nс, я – начальное количество воздуха в среде при t = 0, ρi и μ – начальная плотность и солнечная масса воздуха, для которых в данном исследовании использовались соответственно 1.2 кг/м 3 и 0.029 кг/моль, а V объем хранилища (м 3 ). Адиабатическая зависимость температуры от давления воздуха может быть выражена следующим образом:

в котором C постоянная, принятая равной 10.89 К/Па 2/7 . Подставляя уравнение (6) в уравнение (4), количество запасенного воздуха в среде можно оценить следующим образом:

На основе уравнения идеального газа можно получить следующее соотношение:

Используя уравнения (7) и (8), давление после сжатия (P2) можно рассчитать следующим образом:

Процесс охлаждения

В процессе охлаждения высокая температура сжатого воздуха возникла в результате процесса сжатия (T2) должна быть снижена примерно до исходной температуры (T1). Тепло, извлеченное из воздуха, будет аккумулироваться в отдельном теплоносителе, таком как масло, для последующего процесса нагрева перед стадией расширения. Во время отвода тепла могут быть некоторые потери тепла, что приводит к снижению эффективности. η2. Зависимость давления и температуры при охлаждении и нагревании считается изохорной, а теплота, отводимая при нулевой работе, прямо пропорциональна изменению температуры. Следовательно, температура в теплоносителе (Ths), температура хранения (T) и давление (P) воздуха можно определить следующим образом:

Различные типы свайных фундаментов, используемых в строительстве

Что такое свайный фундамент? Где и когда применяется свайный фундамент?

Свайные фундаменты представляют собой длинные цилиндры, уходящие глубоко в землю, чтобы обеспечить устойчивое основание для конструкций, когда мелкозаглубленные фундаменты не могут противостоять опрокидывающим силам, оседанию или подъему. Свайные фундаменты или просто сваи в настоящее время обычно изготавливают из стали и железобетона.

Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных сценариев, требующих применения свайных фундаментов:

Когда подстилающая почва слабая

Использование других типов фундамента невозможно из-за стоимости или других факторов.

Когда уровень грунтовых вод находится близко к поверхности земли, а глубокие земляные работы нецелесообразны

Читайте также:
Особенности полусухой стяжки своими руками. Как самостоятельно провести полусухую стяжку своими руками, особенности этапов работы. Технология создания и особенности полусухого галстука

На сайте есть проблемы с расчетами из-за разжижения

Наличие близлежащих глубоководных каналов, которые могут вызвать массовую утечку

Есть вероятность зачистки или эрозии

Массивные фундаменты и глубокие земляные работы невозможны из-за ограничений по площади, таких как наличие близлежащих построек.

Когда необходимо противодействовать подъемным силам из-за подъема уровня грунтовых вод или других причин

Когда необходимы меры противодействия опрокидыванию и боковым силам, например, в районах с высокой частотой сейсмической активности.

В случае тяжелых и неравномерных нагрузок, которые могут вызвать неравномерную осадку

Когда конструкция подвергается сильным вибрациям, ударам молотком или другим воздействиям

Классификации свайного фундамента

Свайные фундаменты классифицируют по Функция, материал и процесс установки.

I. По функции или использованию:

Стеновые сваи. В этом приложении множество отдельных свай соединяются между собой, образуя стену, противодействующую боковому давлению и минимальным вертикальным силам. Стеновые сваи или шпунтовые сваи используются в качестве фиксаторов для рыхлого грунта, а иногда и воды во многих временных и постоянных применениях, таких как строительство перемычек, водных путей, защита берегов, траншей и многое другое.

Несущие сваи. Эти типы свай используются для передачи вертикальных нагрузок от надстройки через пласты с низкой несущей способностью на прочный слой грунта или породы. Несущие сваи бывают двух видов по способу передачи нагрузки:

1. Опорные сваи – нижний конец сваи опирается или закрепляется на прочном слое грунта или скалы. Он действует точно так же, как столбец.

2. Висячие сваи – развивает устойчивость за счет трения всей поверхности сваи об окружающий грунт. Фрикционная свая идеальна для таких грунтов, как жесткая глина.

Сваи для улучшения грунта. Заложенные через заданные промежутки, они увеличивают плотность и несущую способность грунта за счет сжатия или уплотнения, а также действуют как группа висячих свай.

II. По материалу:

Железобетонные сваи. Также называемые бетонными сваями, они изготавливаются либо методом предварительного литья, либо методом литья на месте. Сборные сваи устанавливаются путем забивки, а монолитные сваи формируются путем бурения отверстия с последующей заливкой свежего бетона. Бетонные сваи используются в качестве элементов фундамента, которые поддерживают почти все типы конструкций, особенно в местах, где коррозия неизбежна или ожидаема. Сплошные бетонные сваи обычно имеют круглое и прямоугольное поперечное сечение. Полые бетонные сваи или закрученные сваи имеют форму бублика с более тонкими стенками.

Читайте также:
Нужно ли утеплять внутренние стены? Главная Справочник

Стальные сваи. Стальные трубы могут быть двутавровыми стальными или полыми трубами и монтируются забивкой с помощью ударных или вибрационных молотов. Сваи из стальных труб, которые наиболее распространены, легко забиваются и могут использоваться в качестве постоянных свай меньшего диаметра и в качестве временного кессона или створки для больших диаметров. Стальные сваи предпочтительны в качестве опорных свай из-за их способности забиваться в глубокие пласты из-за небольшой площади поперечного сечения, сводя к минимуму сопротивление грунта. Другим фактором является их свариваемость, позволяющая при необходимости обеспечить более длинные удлинения. Стальные трубы можно забивать с открытыми или закрытыми концами.

Деревянные сваи. Несмотря на то, что деревянные сваи рассчитаны на минимальные нагрузки и более короткий срок службы, они выгодны из-за их доступности в отдаленных районах и более низкой стоимости.

Композитные сваи. Это приложение, которое объединяет различные материалы для получения наиболее эффективной и экономичной сваи, которая адаптируется к существующим условиям окружающей среды. В этой системе рассматриваются преимущества и недостатки различных материалов для их стратегического использования с максимальной выгодой. Ниже приведен пример:

1. Составная свая, состоящая из стали или стальной трубы двутаврового сечения внизу и бетонной сваи вверху. Это происходит в ситуациях, когда требуемая длина сваи для надлежащего анкерного крепления больше, чем самая длинная свая, залитая на месте. В качестве решения можно сначала забить стальную сваю в желаемые пласты, а затем перейти к забивке буронабивной сваи на месте.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: