9. Obliczenia statyczne przewodów ułożonych w ziemi (cz3)

Z wzoru tego wynika, że odkształcenia względne wzrastają wraz ze zwiększaniem wartości ugięcia i grubości ścianki rury. Współczynnik D_f ma charakter złożony, a jego wartość waha się w granicach 310. W praktyce średnich ugięć zaleca się przyjmować wartość 6. Wyższa wartość może dotyczyć rur o niskiej sztywności obwodowej (SN4 kN/m²) i małych ugięć.

Przy stosowaniu przewodów ciśnieniowych ugięcia pionowe i naprężenia gnące są mniejsze niż przy rurach grawitacyjnych. Dla rur, których dopuszczalne ciśnienie nie przekracza 10 bar (PN 10) długotrwałe odkształcenie obwodowe względne można obliczyć z równania 34:

     (34)

gdzie:

p   -ciśnienie robocze
E50   -moduł sprężystości (długotrwałej w okresie 50 lat), który wynosi [27] dla rur z:
PVC-U     1400000 kN/m²  (1400 MPa)
PE            200000 kN/m²  ( 200 MPa).

Wyboczenie.

Obciążenia zewnętrzne (napór gruntu i wody gruntowej) działające na rurę wywołują w ściance rury siły działające na obwodzie. Jeżeli siły te są odpowiednio duże, to mogą wówczas spowodować uszkodzenia polegające na wyboczeniu ścianki. Ryzyko takiego wyboczenia może wynikać z nacisku zewnętrznego lub wytworzenia próżni wewnątrz rury oraz przy zbyt małej sztywności obwodowej rury. Dla rur układanych w gruntach spoistych ryzyko jest niskie w przeciwieństwie do gruntów luźnych. W gruntach luźnych, jeżeli dojdzie do wyboczenia, to rura będzie miała kształt spłaszczonej elipsy, natomiast przy gruntach spoistych będą występowały drobne fale na całym obwodzie rury (rysunek poniżej).

Teoretyczna odporność na wyboczenia przedstawia równania 35:

     (35)

gdzie:

F   - współczynnik bezpieczeństwa (przyjmujemy najczęściej F = 2)
E't   - moduł styczny gruntu (wartość większa od Es' do dwukrotności)
W przypadku, gdy w strefie ułożenia przewodu jest grunt luźny (plastyczna glina, iły, muły)
Zewnętrzne dopuszczalne parcie gruntu oblicza się z równania 36:

     (36)

jednak powinna być spełniona zależność:

SN > 0,0275 E'_t

Może się również pojawić wyboczenie jako proces powolny w wyniku pełzania zginającego ścianki rury pod dużym stałym obciążeniem rur o cienkich ściankach ułożonych na znacznej głębokości w gruntach plastycznych o małej spoistości. Dla takich przypadków konieczne jest rozpatrywanie długotrwałych sztywności obwodowych SN 50 i modułu sprężystości odniesionych do okresu 50 lat. Jednak dla ruru ułożonych względnie płytko i obciążonych ruchem drogowym należy przyjmować krótkotrwałe wartości. Rury takie o małej sztywności obwodowej mogą mieć kształt odkształceń "kwadratowych" szczególnie w górnej części rury. Należy wówczas sprawdzić (równanie 37), czy nacisk zewnętrzny nie przekracza wartości dopuszczalnych:

     (37)

Kryteria projektowe.

Wszystkie przewody powinny być projektowane na obciążenia, które mogą występować podczas budowy i eksploatacji, bez szkody dla prawidłowości działania systemu i dla środowiska naturalnego. Materiał na przewód powinien być tak dobrany, aby zarówno jego odporność chemiczna na przesyłane media oraz występujące temperatury nie powodowały jego osłabienia.

Obciążenia.

Obciążenie gruntem powinno być uzależnione od ciężaru właściwego gruntu. Jeżeli nie prowadzono badań, to należy przyjąć ciężar właściwy gruntu nie nawodnionego 1819 kN/m³, a dla gruntu poniżej wód gruntowych 11 kN/m³. Przy układaniu rur poniżej poziomu wód gruntowych należy uwzględnić parcie hydrostatyczne. Dla obciążenia wywołanego ruchem kołowym zaleca się przyjmować dodatkowo obciążenia zewnętrzne powstałe od nacisków dynamicznych.

Ugięcie.

Dla rur kanalizacyjnych bezciśnieniowych ugięcia wynikają z obciążenia zewnętrznego, sztywności obwodowej rury, zdolności gruntu do zagęszczenia w strefie ułożenia przewodu i nadzoru wykonawstwa. Decydującą rolę ma zastosowany materiał gruntowy w strefie ułożenia przewodu (jego zdolność do zagęszczenia) i jakość prac wykonawczych. Zgodnie z zaleceniami projektu normy prEN [19] dotyczącej wskazówek układania bezciśnieniowych rur strukturalnych na rysunku poniżej przedstawiono kryteria oceny ugięć rur powstałych przy ich wbudowaniu. W zależności od sztywności obwodowej (SN) rur mogą powstać różne ugięcia względne wynikłe z warunków ich ułożenia, przez co należy przewody uznać za "dobre"(well), "umiarkowane"(moderate) i "nie zalecane"(not recomended). Odkształcenia długotrwałe powstałe w czasie można uznać, że zwiększą się o wartość Cf przy wykonawstwie:

dobrym (W)          Cf = 1%
umiarkowanym (M)     Cf = 2%
nie zalecanym (N)     Cf = 3-4%

Analizując wykresy (rys.1) można dojść do wniosku, że przy wykonawstwie dobrym zakresy ugięć rur dla wszystkich sztywności obwodowych rur są na niskim poziomie, a przy rurach o niskiej sztywności obwodowej nawet ujemne (o czym wspomniano przy omawianiu wskaźnika Lf, przy gruntach dobrze zagęszczonych po bokach rury w strefie ułożenia przewodu). Zakres nie zalecany dotyczy głównie rur o małej  sztywności obwodowej.

Rys.1.

Ugięcie po zakończeniu prac montażowych i ziemnych związanych z zasypką i zagęszczeniem gruntu dla poprawnie ułożonych rur z PVC-U nie powinno by wyższe od 5%, chociaż ze względu na zapewnienie szczelności i możliwości czyszczenia górną granicę stanowi 8%.

Dla rur ciśnieniowych maksymalne ugięcie wystąpi w przypadku braku ciśnienia wewnętrznego, które powoduje powracanie do przekroju kołowego oraz w przypadku stosowania podciśnienia. Dla rur ciśnieniowych obowiązują te same kryteria ugięcia, jakie dotyczą rur bezciśnieniowych.

Odkształcenia względne ścianki rury.

Dopuszczalne odkształcenie względne ścianki rury wynosi dla:

rur z PVC-U  2,5%
rur z PE-HD  5%

i jest ono tak duże, że nie będzie miało w praktyce wpływu na dopuszczalną granicę ugięcia rur podaną wyżej.

Dla rur ciśnieniowych, odkształcenie całkowite będzie sumą odkształceń  od obciążeń zginających i rozciągających. Obliczenia mogą być wykonane oddzielnie dla naprężeń rozciągających wywołanych ciśnieniem wewnętrznym i osobno dla naprężeń gnących wywołanych obciążeniem zewnętrznym. Najczęściej można te odkształcenia do siebie dodać.

Wyboczenie ścianek.

Przy określaniu możliwości wyboczenia ścianek rury w gruntach spoistych lub przy płytkim ułożeniu przewodu do obliczeń należy użyć krótkotrwałej sztywności obwodowej oraz modułu stycznego gruntu z odpowiednim współczynnikiem bezpieczeństwa. Jeżeli natomiast rura o małej sztywności obwodowej jest układana na znacznej głębokości lub obsypkę w strefie ułożenia przewodu stanowi grunt plastyczny (glina, iły, muły) to w takich przypadkach zaleca się zastosowanie wartości długotrwałej sztywności obwodowej (SN_50lat) zawarte w tablicy 61.

Przy obliczaniu dopuszczalnego parcia zewnętrznego ze względu na wyboczenie ścianki do obliczeń przyjmuje się moduł styczny gruntu, który jest dwukrotnie wyższy od modułu siecznego podanego na rys. 51. Wartość współczynnika F=2 jest wystarczająca.

Natomiast sprawdzenie rur ciśnieniowych na wyboczenie powinno być przeprowadzone przy pominięciu modułu stycznego gruntu (E'_t) niezależnie od rodzaju gruntu w strefie ułożenia przewodu, ponieważ zmieniające się w rurze ciśnienie powoduje powrót rury do okrągłego przekroju stworzy wolną przestrzeń między rurą a otaczającym gruntem i trudno mówić o podpieraniu rury przez grunt.

1 2 3