АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ГРАЖДАНСКИХ ИНЖЕНЕРОВ
ОСНОВАНО В 1852 ГОДУ
ТРУДЫ
Доклад № 1174
БЕТОННАЯ ВОДОНАПОРНАЯ БАШНЯ. [A]
Автор: А. Кемпки-мл., младший член Американского общества гражданских инженеров [B]
С обсуждением, представленным Морисом К. Кушо, Л. Й. Меншем, А. Х. Марквартом и А. Кемпки-мл.
Город Виктория расположен на южной оконечности острова Ванкувер в провинции Британская Колумбия, Канада, и является столицей этой провинции.
Как и во всех городах крайнего Запада, его рост за последние несколько лет был очень быстрым. Население города как такового вместе с населением непосредственно прилегающего муниципалитета Оук-Бей в настоящее время составляет около 35 000 человек.
Водопроводные сооружения Виктории принадлежат городу и эксплуатируются под руководством уполномоченного по водоснабжению, назначаемого городским советом. По специальному соглашению вода поставляется в Оук-Бей оптом, поскольку этот муниципалитет имеет собственную распределительную систему.
Быстрый рост населения, а также тот факт, что в последние годы было сделано очень мало для увеличения водоснабжения, привели к необходимости реконструкции всей системы, и существует очень мало городов, где это потребовало бы решения стольких сложных задач или выполнения столь разнообразных работ.
Вода забирается из озера Элк-Лейк, расположенного примерно в пяти милях к северу от города; оттуда она самотеком поступает на насосную станцию, находящуюся на расстоянии около четырех миль, а затем перекачивается непосредственно потребителям.
Недавно завершенная реконструкция системы предусматривала:
1. Увеличение емкости озера Элк-Лейк с помощью системы дамб.
2. Увеличение пропускной способности магистрали до насосной станции путем замены около двух миль старого 16-дюймового клепаного трубопровода из ковкого железа на 24-дюймовый клепаный стальной трубопровод.
3. Увеличение мощности насосной станции путем установки насосного агрегата производительностью 4 500 000 галлонов типа «кросс-компаунд» системы Корлисса с кривошипно-шатунным механизмом и маховиком.
4. Строительство в городе распределительного резервуара с бетонной облицовкой емкостью 20 000 000 галлонов.
5. Полную реконструкцию распределительной системы, потребовавшую прокладки около 1/2 мили 18-дюймовых и 27-дюймовых труб, а также около 1 мили 24-дюймовых клепаных стальных труб; кроме того, около 3000 тонн чугунных труб диаметром от 4 до 12 дюймов.
6. Обеспечение обслуживания высокого уровня с помощью возвышенного резервуара емкостью около 100 000 галлонов; вода подается в резервуар двумя насосами тройного действия с электроприводом, каждый из которых имеет производительность 100 000 галлонов в сутки при динамическом напоре 150 футов и настроен на автоматический пуск и остановку при изменении уровня воды в резервуаре на 3 фута. Эти насосы расположены примерно в одной миле от башни и управляются автоматическим пусковым устройством с поплавковым приводом, установленным в основании башни.
Описание возвышенного резервуара, имеющего оригинальную конструкцию, с обоснованием выбора типа используемого сооружения, метода строительства и подробной сметы расходов составляет основу данного доклада.
Башня находится на вершине самого высокого холма в городе, в центре самого престижного жилого района, где у ее подножия расположены красивые дома. Таким образом, необходимость архитектурной проработки сооружения представляется первостепенной. Фактически, противодействие местных жителей обычному типу возвышенного резервуара, то есть решетчатым колоннам, поддерживающим резервуар с полусферическим дном и конической крышей, сделало его использование невозможным, хотя тендеры на такое сооружение были объявлены.
Считается, что в данных условиях расположения следует рассмотреть три типа сооружений: во-первых, цельностальную конструкцию, где декоративное оформление достигается за счет облицовки кирпичом или бетоном; во-вторых, кирпично-стальную или бетонно-стальную конструкцию, подобную той, что была фактически возведена; в-третьих, типичную железобетонную конструкцию.
Если рассматривать только часть ниже резервуара, то количество материала, необходимого для облицовки конструкции первого типа, будет практически таким же, как и того, что используется для поддержки резервуара в конструкции второго типа. Следовательно, стальная подконструкция, по сути, будет представлять собой чистый убыток, и поэтому экономичность этого типа вызывает серьезные сомнения.
Была получена заявка на железобетонную конструкцию, идентичную по внешнему виду построенной, но из-за естественного консерватизма местных жителей в отношении этого типа строительства она не была принята.
Построенная башня представляет собой полый цилиндр из обычного бетона высотой 109 футов с внутренним диаметром 22 фута. Стены имеют толщину 10 дюймов на первых 70 футах и 6 дюймов на оставшихся 39 футах и украшены шестью пилястрами (высотой 70 футов, шириной 3 фута и толщиной 7 дюймов), 4-футовым поясом, затем двенадцатью пилястрами (высотой 12 футов, шириной 18 дюймов и толщиной 7 дюймов), карнизом и парапетной стеной.
Стальной резервуар обычного типа встроен в верхние 40 футов этого цилиндра. Для формирования дна этого резервуара в цилиндре на расстоянии около 70 футов от основания выполнен купол из обычного бетона, распор которого воспринимается двумя стальными кольцами размером 1/2 на 14 дюймов и 3/8 на 18 дюймов, заделанными в стены башни, причем последнее кольцо приклепано к нижнему поясу резервуара.
Резервуар покрыт крышей из железобетона толщиной 4 дюйма, конической формы, армированной витыми стальными стержнями диаметром 1/2 дюйма. Конструкция сооружения наглядно показана на рис. 1.
Башня построена на выходе коренных скальных пород. Эта скала была грубо ступенчато выровнена, и было возведено бетонное основание. Это основание представляет собой полое кольцо с внутренним диаметром 20 футов и толщиной стен 5 футов. Оно имеет высоту около 2 футов с одной стороны и 7 футов с другой и образует ровную площадку, на которой возведена башня. Опалубка для этого основания состоит из вертикальной обшивки и кольцевых ребер. Обшивка выполнена из двойных строганых сегментов размером 2 на 3 дюйма, а ребра — из сегментов размером 2 на 12 дюймов длиной 6 футов, уложенных внахлест и надежно скрепленных гвоздями для образования полных или частичных кругов. Эти ребра расположены с шагом 2 фута по центрам.
Fig. 1.—(Full page image)
WATER TOWER VICTORIA, B.C. WATER-WORKS
Аналогичная конструкция использовалась для формирования сужающегося основания самой башни, за исключением того, что радиусы сегментов, образующих последовательные ребра, уменьшались с высотой ребра. Использовалась коническая обшивка, изготовленная путем двойного строгания кусков размером 2 на 6 дюймов до размеров 1-3/4 на 5-13/16 дюйма и распиливания по диагонали, что давало две доски шириной 3 дюйма с одного конца и 2-3/4 дюйма с другого. Эта коническая обшивка снова использовалась на опалубке 4-футового пояса и карниза, при этом конусность чередовалась вверх и вниз.
Fig. 2.—FORMS FOR WATER TOWER VICTORIA, B.C.
Поскольку внутренний диаметр был одинаковым до основания купола, с самого начала использовалась разборная опалубка. Эта опалубка была выполнена в виде шести больших секций высотой 6 футов с одной небольшой ключевой секцией с клиновым элементом для облегчения распалубки, как показано на рис. 2. Было три яруса таких секций, соединенных болтами встык по горизонтали и друг с другом по вертикали.
Над сужающимся основанием, за исключением 4-футового пояса и карниза, разборная опалубка использовалась и снаружи. Было шесть секций, простирающихся от колонны до колонны, и шесть секций колонн, все они были соединены болтами по окружности и сконструированы, как показано на рис. 2. Три яруса этих секций также были соединены болтами как по вертикали, так и по горизонтали.
После заполнения верхнего яруса порядок работы был следующим:
Все горизонтальные болты в нижних внутренних и внешних опалубках были удалены, как и небольшая ключевая секция внутри; это привело к тому, что каждая секция осталась подвешенной к соответствующей секции непосредственно над ней с помощью упомянутых ранее вертикальных болтов. Таким образом, видно, что в каждом случае средний ярус выполнял двойную функцию: удерживал верхний ярус, заполненный свежим бетоном, и секции нижнего яруса, пока их не поднимали и снова не устанавливали в положение для заполнения.
Затем эти нижние опалубки поднимались вручную — с использованием четырехниточных талей — и устанавливались в положение на верхние опалубки, их нижние края тщательно выравнивались заподлицо с верхним краем уже установленной опалубки, а затем прикручивались к ней. Снаружи опалубка колонн, а внутри клиновые и ключевые секции устанавливались в последнюю очередь. 3-фунтовый отвес на тонкой леске был подвешен к внутренним лесам и тщательно отцентрован над точкой, установленной в скале у основания. Эта линия находилась точно в центре башни, и верхние части всех опалубок после каждого сдвига тщательно выставлялись по ней путем измерения, что позволяло сохранять вертикальность сооружения.
Первые 23 дюйма ствола башни были отформованы с помощью специальной внешней опалубки, сконструированной так, чтобы сформировать основания больших пилястр. После одиннадцати применений 6-футовых опалубок эти 23-дюймовые секции были перевернуты для формирования капителей, что сделало эти пилястры высотой 69 футов 10 дюймов в общей сложности.
Опалубка 4-футового пояса и валика была выполнена из двенадцати секций простых сегментов и вертикальной обшивки, как показано на рис. 2.
Два комплекта внешней опалубки были распилены вдоль, как показано на рис. 2, и использованы для формирования небольших пилястр. Первый комплект был установлен на место, заполнен, и бетону дали затвердеть. Болты были ослаблены, и опалубка была поднята на 5-1/2 дюйма вертикально, снова закреплена болтами, и был установлен второй комплект, доводя верхнюю часть второго комплекта до низа карниза. Базы и капители небольших пилястр были отформованы позже.
Опалубка карниза четко показана на рис. 2. Небольшие короба, разделяющие зубцы, сделаны из легкого материала и прибиты к опалубке карниза так, чтобы при распалубке они оставались на месте и их можно было вынуть отдельно, чтобы предотвратить отламывание углов зубцов. Ряд внешних и внутренних секций был распилен пополам по горизонтали, чтобы обеспечить опалубку для парапетной стены.
Внутренний диаметр резервуара на 8 дюймов больше внутреннего диаметра основания. Два комплекта внутренней опалубки были распилены вдоль и раздвинуты, как показано на рис. 2, и была добавлена еще одна небольшая секция, чтобы завершить круг. Оставшийся комплект был оставлен на месте для поддержки опалубки купола.
Опалубка купола была выполнена из двенадцати секций, соединенных болтами для облегчения распалубки. Все ребра и сегменты были нарезаны по размеру на земле, собраны на месте, а затем покрыты обшивкой и двухслойной дегтевой бумагой. Обшивка на нижнем крутом изгибе была выполнена из двойного слоя еловой доски толщиной 3/8 дюйма, остальная часть — из сосновой доски 1 на 4 дюйма, подогнанной до равномерной толщины 7/8 дюйма. На рис. 3 показана конструкция этой опалубки и метод укладки обшивки.
Опалубка крыши была выполнена из восьми секций и соединена болтами для облегчения распалубки. Все ребра и сегменты были нарезаны по размеру на земле, собраны на месте и покрыты обшивкой 1 на 4 дюйма, строганой до равномерной толщины 7/8 дюйма, и двухслойной дегтевой бумагой. На рис. 3 показана конструкция этой опалубки. Сегменты, уложенные горизонтально, а не перпендикулярно обшивке, дали круги вместо парабол, что сделало их гораздо более простыми в разметке и обеспечило достаточно жесткую форму.
Вопрос об использовании только внутренних лесов был тщательно рассмотрен, но из-за значительного количества декоративных элементов снаружи, требующих большого количества отдельных опалубок, не было сочтено, что это приведет к какой-либо экономии.
Рис. 4, а также рис. 1 и 2 на таблице XXIII наглядно показывают конструкцию лесов.
Plate XXIII, Fig. 1.—Scaffolding for Water Tower.
Plate XXIII, Fig. 2.—Completed Water Tower.
Весь бетон замешивался в мокром виде в бетоносмесителе Smith с моторным приводом и подавался с внешних лесов; его поднимали в тачках на обычном строительном подъемнике и укладывали в опалубку через железный желоб с воронкообразным входом. Этот желоб был построен из трех секций, соединенных болтами; использовалась одна, две или три секции в зависимости от расстояния от опалубки до настила. Когда верх опалубки достигал уровня какого-либо настила, бетон подавался через желоб с настила выше. Желоб был легким, и рабочие с тачками легко перемещали его при помощи человека, укладывающего бетон, в интервалах между подачами тачек.
Fig. 3.—FORMS FOR WATER TOWER VICTORIA, B.C.
Бетон, за исключением бетона для крыши и парапета, состоял из песка и щебня, использовался материал из дробилки. Бетон для крыши и парапета состоял из песка и гравия. Единственной причиной использования гравия для бетона крыши была легкость его получения в небольших количествах, так как запас щебня был исчерпан, а это была последняя бетонная работа.
Использовался бетон следующих составов: 1:3:6 для основания и сужающегося основания; 1:3:5 для ствола башни и облицовки резервуара; и 1:2:4 для купола и крыши. Купол был залит за один раз, без швов, то же самое относится и к крыше. На протяжении всей работы использовался портландцемент Ванкувера, производимый на острове примерно в 15 милях от города.
Перед заполнением внутренняя часть резервуара была покрыта штукатурным слоем, состоящим из 1 части цемента на 1-3/4 части мелкого песка. Это оказалось недостаточным для предотвращения просачивания: вода просачивалась через купол и появлялась на внешней стороне сооружения вдоль линии дна колец. Затем были нанесены еще три слоя на весь резервуар и два дополнительных слоя на купол и примерно на 8 футов вверх по бокам, и, за исключением одного или двух небольших пятен, которые лишь слегка увлажняются, резервуар абсолютно герметичен.
Ствол башни был доведен до высоты 66 футов. Затем был установлен специальный комплект внутренней опалубки высотой около 2 футов, доходящий до линии пяты купола, и на нем была установлена опалубка купола. Идея заключалась в том, что эту 2-футовую опалубку можно было выбить по частям, а вес опалубки купола перенести на клинья на последнюю 6-футовую опалубку, при этом клинья постепенно ослаблялись, чтобы позволить опалубке купола опуститься, освободив купол. На самом деле это было сделано, но опалубка купола, будучи очень плотной, не опустилась, и ее пришлось отрывать по секциям. Аналогичный метод использовался для ослабления опалубки крыши с аналогичными результатами.
После того как опалубка купола была установлена, бетон был доведен примерно до уровня дна колец. Затем были установлены небольшие аккуратные цементные подушки, которые были точно выровнены, на них были помещены стальные кольца и возведен стальной резервуар.
Чтобы обеспечить идеально круглую форму резервуара, каждый пояс возводился с опорой на деревянные шаблоны, точно отцентрованные и прикрепленные к внутренним лесам. Резервуар представляет собой обычный тип из легкой стали: нижний пояс имеет толщину 3/16 дюйма, следующий — № 8 по бирмингемскому калибру проволоки, следующий — № 10, а остальные четыре — № 12.
Работы по фундаменту были начаты 15 августа 1908 года, а башня была завершена только 1 апреля 1909 года. Много времени было потеряно в ожидании поставки стали, а также из-за периода очень холодной погоды, что вызвало полное прекращение работ примерно на один месяц.
Завершенная башня имеет поразительный вид. Чтобы сгладить кольца, образовавшиеся из-за последовательного применения опалубки, и скрыть высолы, столь характерные для бетонных сооружений, внешняя поверхность была покрыта двумя слоями чистого цементного молочка, нанесенными обычными кистями для побелки, и до настоящего времени это, по-видимому, было очень эффективным для достижения желаемого результата.
Fig. 4.—(Full page image)
SCAFFOLD FOR WATER TOWER
Неровности, вызванные опалубкой, незаметны с расстояния 200 или 300 футов, а цементация придала очень однородный цвет.
Нанесение двух слоев цементного молочка стоило: по оплате труда — 97,68 долл., по материалам — 15,18 долл., или 1,32 долл. за 100 кв. футов; оплата труда составляла 2,25 долл. за 8 часов, а стоимость цемента — 2,53 долл. за баррель с доставкой на объект.
Башня была спроектирована Артуром Л. Адамсом, членом Американского общества гражданских инженеров, под руководством которого были подготовлены и выполнены планы всех работ по реконструкции системы водоснабжения. Опалубка, леса и т. д. были спроектированы автором, который также непосредственно руководил строительством.
Тендеры, полученные на строительство башни, охватывали чрезвычайно широкий диапазон и сразу указывали на полное отсутствие у участников торгов знаний о стоимости сооружения такого рода. Поскольку никто из них не имел предыдущего опыта в этом классе строительства, инженер счел разумным и экономичным оставить строительство под своим непосредственным контролем, и поэтому работа выполнялась силами наемных рабочих.
В таблице 1 приведена стоимость сооружения. Итоговая сумма, приведенная здесь, не совпадает с общей стоимостью, указанной в бухгалтерских книгах города, по той причине, что различные статьи, не относящиеся должным образом к самому сооружению, были исключены; основными из них являются стоимость участка, прокладка около 600 футов канализационных труб для соединения с переливом и значительные расходы, связанные со строительством подъездной дороги к башне.
Ставки заработной платы, исходя из 8-часового рабочего дня, были следующими:
Common labor $2.25 and $2.50
Carpenter 4.00
Carpenter's helper 2.75
Boiler-maker 3.50
Holders on 2.50
Boiler-maker foreman 5.00
Plasterers 6.00
Plasterers' helpers 3.00
Стоимость материалов была следующей:
Cement, per barrel $2.53
Sand, per yard 1.47
Rock, per yard 0.80
Lumber, per 1,000 ft. b. m. 14.00 and 16.00
Все эти цены указаны за материалы с доставкой на объект.
Изучение приведенных данных о стоимости покажет, что по большей части удельные затраты очень высоки. Это объясняется главным образом постоянными перерывами в работе на ее поздних стадиях из-за плохой погоды, особенно в случае возведения стального резервуара. Стоимость материалов в этом случае также была чрезвычайно высокой.