Różnice w projektowaniu sieci z tworzyw sztucznych w porównaniu z sieciami z materiałów tradycyjnych (1). Sztywność i elastyczność.

Systemy kanalizacji zewnętrznej oraz wodociągowej są jednymi z najważniejszych systemów infrastruktury komunalnej na bardzo dynamicznie rozwijającym się rynku. Sieci te powinny być projektowane na długi okres użytkowania, przynajmniej na 50 lat. Tak długi okres eksploatacji powinien zwiększać wymogi w zakresie stosowania takich materiałów, technologii produkcji, jakości wyrobów, aby zapewnić trwałość wyrobów w zmiennych warunkach gruntowo-wodnych. Początki rozwoju kanalizacji sięgają aż do roku ok. 3500 p.n.e., kiedy po raz pierwszy zastosowano przewody kanalizacyjne z kamionki. Później w wieku XV rozpoczęto produkcję przewodów z żeliwa, a w XVIII ze stali. W latach 50. XX wieku dalszy rozwój umożliwił produkcję rur z żeliwa sferoidalnego, a w latach 90. XX wieku z polimerobetonu.
W Polsce zastosowano rury z tworzyw stosunkowo późno, bo na początku lat 70., niemniej jednak już w 1935 r. rozpoczęto w Niemczech produkcję rur z PVC-U. W 1945 r. po raz pierwszy zastosowano PE-LD, następnie w latach 50-tych nastąpił dalszy rozwój technologii i rozpoczęto stosowanie rur z polietylenu o wysokiej gęstości PE-HD, polipropylenu PP, polietylenu sieciowanego PE-X, a w końcu lat 80. XX wieku nowej generacji PE-HD oznakowanego jako PE100. Należy tutaj odnotować duży wzrost zastosowania systemów kanalizacyjnych z tworzyw należących do grupy poliolefin (CnH2n), zwłaszcza polipropylenu PP-B (kopolimer blokowy) i PP-H (homopolimer) oraz polietylenu PE (PE-HD). Należy zwrócić uwagę, że w ostatnich latach prowadzone były europejskie projekty badawcze wykonane w warunkach rzeczywistych, które były pomocne w opracowaniu norm europejskich w zakresie projektowania i układania rurociągów z tworzyw sztucznych. Wyniki europejskiego projektu badawczego „Projektowanie podziemnych rurociągów z tworzyw termoplastycznych”, zrealizowanego przez TEPPFA i APME, pozwoliły między innymi na porównanie wyników obliczeniowych z ugięciami rzeczywistymi, określenie względnej wagi parametrów projektowo-wykonawczych oraz zachowania rurociągów w ośrodku gruntowym. Zrewidowanie poglądów określających wagę parametrów projektowo-wykonawczych może przysłużyć się do lepszego zrozumienia zachowania się rurociągów z tworzyw w gruncie oraz zwiększenia bezpieczeństwa konstrukcji. W przypadku rur z tworzyw sztywność obwodowa wpływa na wielkość ugięcia zaledwie w ok. 3,5%, głębokość ułożenia w 15%, natomiast warunki montażu aż w 80%.
Jeżeli zatem aż w 80% warunki montażu wpływają na ugięcie przewodu, to zrozumiałe powinno być osiągnięcie zakładanych w projekcie parametrów poprzez dostosowanie technologii montażu do zmiennych warunków gruntowo-wodnych. Wyniki wieloletnich badań zachowania rur tradycyjnych i z tworzyw termoplastycznych pozwoliły na opracowanie norm oraz projektów norm europejskich. Należy odnotować opracowanie przez Komitet Techniczny ISO/TC 165 „Inżynieria Ścieków” oraz ISO/TC 164 „Zaopatrzenie w Wodę” projektu CEN/TR 1295-3:2007 „Structural design of buried pipelines under various conditions of loading – Part 3: Common metod” („Obliczenia statyczne rurociągów ułożonych w ziemi w różnych warunkach obciążenia – Część 3: Główne metody”). Komitet Techniczny ISO/TC 165 opracował również projekt CEN/TR 1295-2:2005 „Structural design of buried pipelines under various conditions of loading – Part 2: Summary of national established methods of design” („Obliczenia statyczne rurociągów ułożonych w ziemi w różnych warunkach obciążenia – Część 2: Podsumowanie przyjętych krajowych metod projektowych”). Projekty te są kolejnymi częściami normy EN 1295 opisującymi główne metody obliczeniowe podczas projektowania statycznych rurociągów w ziemi, w różnych warunkach obciążenia. Kolejnym istotnym dokumentem jest projekt normy prCEN/TS 15223 „Plastics piping systems – Validated design parameters of buried thermoplastics piping systems” („Systemy przewodów rurowych – Zatwierdzone parametry projektowe podziemnych systemów rurowych z tworzyw termoplastycznych”), który został opracowany przez Komitet Techniczny ISO/TC 155 „Plastics piping systems and ducting systems” („Systemy rurowe i kanałowe z tworzyw sztucznych”). Dokument ten zawiera parametry projektowe dla sieci ciśnieniowych oraz bezciśnieniowych z tworzyw sztucznych. Różnice w klasyfikacji rur Podstawowym kryterium określającym zachowanie przewodów ułożonych w gruncie jest dopuszczalne odkształcenie względne ścianki przewodu (ε) wyrażone w procentach. Odkształcenia względnego nie należy mylić z dopuszczalnym ugięciem przekroju poprzecznego przewodu. Przewody ułożone w gruncie możemy podzielić ze względu na dopuszczalne odkształcenie względne ścianek na:
* sztywne,
* półsztywne,
* elastyczne (podatne).
Również normy [1], [20] wprowadzają klasyfikację przewodów na sztywne, półsztywne i elastyczne. Pierwszą grupę stanowią przewody sztywne, dla których odkształcenie względne ścianki wynosi (ok. 0%). Zalicza się tutaj rury wykonane z materiałów tradycyjnych, np. beton, kamionka, żeliwo. Przewody te są samodzielnym układem statycznym i nie współpracują z ośrodkiem gruntowym. Decydującym kryterium projektowym są naprężenia. Przy przekroczeniu dopuszczalnych naprężeń przewód ulegnie uszkodzeniu. Zgodnie z normą [1] do rur sztywnych zalicza się przewody, których „zdolność do przenoszenia obciążenia jest ograniczona przez złamanie bez istotnego odkształcenia przekroju poprzecznego (zachowanie sztywne)”.
Drugą grupę stanowią przewody półsztywne, dla których dopuszcza się niewielkie odkształcenia względne ścianki (ok. 0,5%). Do rur półsztywnych zalicza się przewody, których „zdolność do przenoszenia obciążenia jest ograniczona albo przez odkształcenia/przeciążenia (zachowanie elastyczne) albo załamania (zachowania sztywne), w zależności od sztywności obwodowej i/lub warunków układania”. Przewody te są pośrednią grupą i wykazują zarówno cechy przewodów sztywnych, jak i podatnych. Oprócz samej wytrzymałości materiału na naprężenia istotne są parametry zagęszczenia gruntu. Do tej grupy mogą być zaliczone rury z żywic epoksydowych wzmacnianych włóknem szklanym (duroplasty2) GRP-EP, GRP-UP.
Trzecią grupę stanowią przewody elastyczne (podatne), dla których dopuszcza się odkształcenia względne ścianek (<5%). Do rur elastycznych zalicza się przewody, których „zdolność do przenoszenia obciążenia jest ograniczona przez deformację (odkształcenie przekroju), pod obciążeniem równym granicznej wartości projektowej, bez złamania lub rozerwania (zachowanie elastyczne)”. Przewody te współpracują z ośrodkiem gruntowym i wspólnie stanowią układ statyczny. Należą do nich rury wykonane między innymi z PVC-U, PE i PP. Rury z tworzyw sztucznych posiadają istotne cechy odróżniające je od innych materiałów tradycyjnych. Ich podstawową cechą jest lepkosprężystość. Kryterium projektowym jest odkształcenie oraz stateczność. Założenia do projektowania konstrukcji przewodów sztywnych, półsztywnych i podatnych są przedstawione w tabeli 1 [2]. Rury są również klasyfikowane pod kątem odkształcenia przekroju oraz ośrodka gruntowego. Współczynnik odkształcenia χ opisuje zależność pomiędzy odkształceniem pionowym przewodu δp oraz gruntu δs podczas takiego samego obciążenia bez uwzględnienia reakcji poziomego nacisku. Współczynnik deformacji χ będzie wynosił 0 dla rur ułożonych na podłożu betonowym oraz rur betonowych o przekroju eliptycznym. W kolejnym artykule omówię różnice w odkształceniach względnych materiałów oraz różnice w rozkładzie naprężeń w ściankach przewodów
Karol Marzejon
1. W niniejszym artykule pojęcie „tworzywa sztuczne” odnosi się do tworzyw termoplastycznych PVC-U, PP i PE. Tworzywa sztuczne są dużą grupą obejmującą elastomery oraz plastomery (termoplastyczne i duroplasty). 2. Duroplasty należą do plastomerów termoutwardzalnych. Najczęściej są to kompozyty zawierające żywice poliestrowe (GRP-UP) oraz epoksydowe (GRP-EP).
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij