Conceptual structural design of a reactor tower of reinforced concrete

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2010
Major/Subject
Talonrakennustekniikka
Mcode
Rak-43
Degree programme
Language
fi
Pages
101 + [53]
Series
Abstract
The purpose of the studied reactor tower is to function as a part of a hydrometallurgical process. The tower is 70 meters high and the middle part of the load bearing structure is a 42 meter high cylindrical shell. The environmental and process circumstances that surround the shell structure are challenging. It has to, among other things, withstand the wind pressure, the high temperature (104 °C) and aggressive (pH 1) solution inside the reactor as well as the hydrostatic pressure of the solution (density 1400 kg/m<sup>3</sup>). The aim of this thesis is to study the parameters that influence the dimensioning of the middle part and to make a preliminary assessment of the structure. This thesis includes a literature review and a part of structural dimensioning of the cylindrical shell. In the literature review there are studied structures and production methods that are used in high reinforced concrete structures, such as silos, water towers and cooling towers. The part of structural dimensioning includes an analytical part and a part of Finite Element Method analysis with Abaqus/CAE software. The cylindrical shell was studied with the help of two different types of wall structures: a concrete cross-section with an inner protective cover and a laminate-concrete-laminate composite cross-section. The parameters that where studied are: the strength class of the concrete, pre-stressing, and the use of insulation, the thickness of the cross-section and the boundary conditions of the lower edge. The calculations, that where made proved that the temperature load is the dominant load. It is possible to influence on the cross-section size and amount of reinforcement by reducing the temperature load. Parameters that reduce temperature stress are the use of insulation that reduces the temperature differences and making the wall more flexible by reduction of the cross-section thickness. Neither had the use of a high strength concrete nor the different boundary conditions a notably effect on the amount of reinforcement. In the outer parts of the cross-section it was not possible to compensate the tension stress caused by the temperature load by pre-stressing the structure with ordinary methods. Both types of wall structures are possible to execute if it is possible to ensure the collaboration of the materials. In future research the following items should especially be considered: the reduction of the temperature load and the interaction between the materials. The following items should also be taken into account in future research: optimization of the construction method of the tower and properties of laminate and consideration of the whole process from filling of the reactor to its emptying including special situations.

Tarkasteltu reaktoritorni on osa hydrometallurgista prosessia. Torni on 70 metriä korkea ja sen keskiosan kantava rakenne koostuu 42 metriä korkeasta sylinterikuoresta, jonka käyttöolosuhteet ja ympäristö ovat haasteelliset. Keskiosaa rasittaa muun muassa tuulenpaine, sisäpuolisen liuoksen korkea lämpötila (104 °C) ja aggressiivisuus (pH 1) sekä liuoksen (tiheys 1400 kg/m<sup>3</sup>) aiheuttama hydrostaattinen paine. Tässä diplomityössä tutkitaan tornin keskiosan rakenteiden mitoitukseen vaikuttavia muuttujia ja arvioidaan mahdollisia rakenneratkaisuja. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin korkeissa teräsbetonirakenteissa, kuten siiloissa, vesi- ja jäähdytystorneissa ja vastaavanlaisissa rakenteissa käytettäviä rakenneratkaisuja ja valmistustekniikoita. Laskennallinen osuus sisältää reaktorirakenteen keskiosan ulkokuoren mitoituksen käsinlaskennalla ja elementtimenetelmään perustuvalla Abaqus/CAE laskentaohjelmalla. Reaktorin keskiosan kantavaa rakennetta arvioitiin kahdella rakennetyypillä: raudoitettu betonipoikkileikkaus, jonka sisäpinta suojataan esimerkiksi polymeeribetonilla sekä lujitemuovi-betoni-lujitemuovikerrosten muodostama liittorakenne. Normaali betoni ei itsessään kestä reaktorin sisäpuolista liuosta. Tässä diplomityössä tutkittuja muuttui ja tai rakenteellisia vaihtoehtoja ovat betonin lujuusluokka, esijännityksen käyttö, lämmöneristeen käyttö, poikkileikkauksen paksuus sekä alareunan tuentatapa. Tehtyjen laskelmien perusteella lämpökuorma on mitoitusta ja suunnittelua määräävä kuorma. Lämpökuormista aiheutuvien lämpöjännitysten hallinnalla voidaan oleellisesti vaikuttaa raudoitusmääriin ja rakennepaksuuksiin. Rakenteen lämpöjännityksiä vähentää lämpötilaeroja pienentävä lämmöneriste ja poikkileikkauksen ohentaminen, joka pienentää lämpötilan vaihteluista aiheutuvia pakkomuodonmuutoksia. Betonin lujuuden lisäämisellä tai tutkituilla alareunan tuentatavoilla ei ollut merkittävää vaikutusta raudoitusmääriin. Rakenteeseen sijoitetuilla esijännityskaapeleilla ei voida kumota eristämättömän poikkileikkauksen ulkopintaan lämpökuormasta syntyviä vetojännityksiä. Molemmat tutkitut rakennetyypit ovat mahdollisia toteuttaa, jos voidaan varmistaa materiaalien yhteistoiminta. Jatkotutkimuksessa on erityisesti kiinnitettävä huomiota lämpökuorman pienentämiseen ja materiaalien yhteistoiminnan ymmärtämiseen. Muita jatkotutkimus aiheita ovat: tornin tuotantotekniikan ja lujitemuovin materiaaliominaisuuksien ja paksuuden optimointi sekä koko tornin sisäpuolisen prosessin aiheuttamien rasituksien tarkastelu, tornin täytöstä tyhjennykseen ja erikoistilanteisiin.
Description
Supervisor
Puttonen, Jari
Thesis advisor
Piironen, Jukka
Keywords
shell structure, kuorirakenne, laminate, lujitemuovi, concrete, betoni, compasite structure, liittorakenne, FEM, elementtimenetelmä
Other note
Citation