Różnice w projektowaniu sieci z tworzyw sztucznych w porównaniu z sieciami z materiałów tradycyjnych (2). Sprężystość w gruncie dobra.

Zachowanie przewodów sztywnych opisuje klasyczne prawo Hooka’a (σ/ε = E), w którym moduł sprężystości E posiada stałą wartość. Sformułowana przez Roberta Hooke’a zależność odkształcenia od naprężenia, w formie ut tensio sic vis (odkształcenie ciała pod wpływem działającej na niego siły jest wprost proporcjonalne do tej siły – przyp. red.), jest prawdziwa tylko dla niezbyt dużych odkształceń oraz dla niektórych materiałów. Tworzywa sztuczne posiadają właściwości sprężyste oraz lepkie. Moduł sprężystości E zmienia się w czasie, jest też nazywany modułem pełzania. Moduł pełzania jest odwrotnością modułu relaksacji (równanie 1). Do obliczeń wykorzystuje się moduł sprężystości początkowy. Spadek modułu w czasie nie oznacza jednak, że następuje osłabienie materiału. Spadek opisuje jedynie procesy pełzania lub relaksacji występujące w tworzywach pod wpływem obciążenia. Dlatego też w obliczeniach wytrzymałościowych stosuje się wartość krótkotrwałą modułu elastyczności Ep. Końcowe ugięcie przewodu jest uzależnione nie od długotrwałej wartości modułu E, a od krótkotrwałych impulsów obciążenia, na które wpływ mają krótkotrwałe wartości modułu. W przypadku gruntów słabonośnych do obliczeń przyjmowana jest wartość długotrwała (50-letnia).
Charakterystyka odkształcenia względnego w funkcji naprężenia jest przedstawiana krzywą. Pochylenie krzywej jest uzależnione od czasu działania obciążenia. W początkowym zakresie przebieg odkształcenia względnego ma przebieg zbliżony do prostej. Ten zakres naprężeń jest wykorzystywany w praktyce projektowej. W normalnych warunkach eksploatacyjnych dla rurociągów z tworzyw termoplastycznych, posiadających lepkosprężyste właściwości, zachodzą takie zjawiska jak pełzanie materiału oraz relaksacja naprężeń. Pełzanie jest definiowane jako zachodząca wraz z upływem czasu zmiana odkształcenia materiału (ε) przy stałym poziomie naprężenia (σ = const.). Natomiast relaksacja naprężeń to zachodzący wraz z upływem czasu spadek naprężeń (σ) w materiale, którego odkształcenie pozostaje na stałym poziomie (ε = const.). W przypadku rur ułożonych w gruncie zjawisko pełzania jest ograniczone przez boczny odpór gruntu, który zapewnia uzyskanie stanu równowagi.
Pełzanie ustaje, gdy dochodzi do uzyskania równowagi pomiędzy rurą a otaczającym gruntem. Jeżeli odkształcenia będą pozostawać na stałym poziomie (stan równowagi), to w wyniku relaksacji będą zmniejszały się naprężenia w ściance przewodu. Przy projektowaniu rur z tworzyw termoplastycznych przyjmowane są maksymalne dopuszczalne wartości naprężeń długotrwałych. Przy projektowaniu rur ciśnieniowych zakładana jest swoboda ich pełzania. Maksymalne dopuszczalne obciążenie działające w sposób ciągły przez 50 lat (uwzględniając współczynnik bezpieczeństwa) powoduje powstanie maksymalnego dopuszczalnego odkształcenia (ε). Dlatego też zaprojektowana rura powinna mieć taką grubość ścianki, aby poziom naprężeń (w okresie projektowym) powodował powstanie takiego odkształcenia, przy którym nie nastąpi pęknięcie. W przypadku wystąpienia naprężeń większych od przewidywanych zachowanie przewodów z tworzyw będzie uzależnione od poziomu odkształcenia względnego ścianki (ε) i czasu oddziaływania. Przy znacznie większym obciążeniu, działającym w krótkim czasie, rury z tworzyw sztucznych mogą ulec pęknięciu o charakterze plastycznym. Przewody mogą ulec również pęknięciu o charakterze kruchym i w tym przypadku może być to uzależnione od wielu czynników np. punktowego nacisku dużego kamienia, porysowanej powierzchni, środków chemicznych. Tworzywa amorficzne, jak np. PVC-U poddane nadmiernemu naprężeniu (σ), pękają po osiągnięciu maksymalnych wartości odkształcenia (ε) niezależnie od czasu działania obciążenia. Tworzywa poliolefinowe PE i PP o budowie semi-krystalicznej poddane nadmiernemu naprężeniu (σ) w krótkim czasie pękają plastycznie przy dużych wartościach odkształcenia (ε) [3]. W przypadku materiałów klasy PE100, spełniających podwyższone wymagania (PE100+), krzywa wytrzymałości na długotrwałe ciśnienie hydrostatyczne nie posiada punktu przegięcia, jak ma to miejsce w przypadku PE80 czy PE63. Pozwala to sądzić, że w całym okresie eksploatacji będziemy mieć do czynienia z pęknięciami plastycznymi, a nie kruchymi. Stosowane metodyki analiz wytrzymałościowych pozwalają na obliczenie odporności konstrukcji na wyboczenie.
Odkształcenie względne (ε) ścianek przewodów z tworzyw będzie po pewnym czasie stałe. Wzajemną zależność pomiędzy naprężeniem, odkształceniem względnym i modułem relaksacji opisuje równanie 1: s * (1/E) = e = const (1), gdzie: s – naprężenia [MPa] e – odkształcenia [%] – moduł Younga [MPa]. Rysunek 1 opisuje zależność pomiędzy naprężeniami i odkształceniami względnymi dla ścianki materiału sprężystego i lepkosprężystego.

Naprężenia w ściankach przewodów Analizując rozkład obciążeń działających na rury z tworzyw sztucznych oraz tradycyjne, należy zwrócić uwagę, że nie jest on jednakowy. Przewody tradycyjne (sztywne) są praktycznie nieodkształcalne. W związku z tym powstające od obciążenia naprężenia koncentrują się w górnej i dolnej części przewodu (rysunek 2a). Następuje niekorzystne dla trwałości przewodu zwiększanie naprężeń zginających w ściankach. Rozkład naprężeń dla przewodów z tworzyw (podatnych) jest równomiernie rozłożony (rysunek 2c,d). Na rysunku 2 przedstawione są schematy rozkładów obciążeń dla różnych konstrukcji przewodów w jednakowych warunkach ułożenia i obciążenia według Dreschera [1]. Dla przewodów sztywnych wzrost obciążeń zewnętrznych zwiększa obciążenia konstrukcji przewodu. Natomiast dla przewodów termoplastycznych wzrost obciążeń zewnętrznych jest przenoszony na grunt po obu stronach przewodu, powodując zmniejszenie obciążenia nad przewodem. Przy obciążeniu rury z tworzyw zmniejszają się naprężenia w górnej i dolnej części przewodu, jednocześnie rosną naprężenia boczne. Odkształcająca się rura, wywierając nacisk na grunt, wywołuje na zasadzie reakcji odpór gruntu, co z kolei powoduje zmniejszenie naprężeń zginających w ściance rury. Siła, z jaką grunt wokół rury jest w stanie przeciwstawić się naciskowi rury, zależy od wielkości obciążenia pionowego oraz od rodzaju gruntu i jego zagęszczenia (sztywności). Możliwość odkształcenia przewodów ma bardzo pozytywny wpływ na pracę rur w ośrodku gruntowym. Zachodzi zjawisko relaksacji naprężeń w ściankach przewodów, czyli zmniejszania się naprężeń powstałych na skutek odkształcenia rury. Następuje korzystne dla trwałości przewodu z tworzyw wyrównywanie naprężeń i zmniejszenie naprężeń zginających w ściankach.
Takie zachowanie przewodów termoplastycznych w gruncie zasadniczo różni się od przewodów wykonanych z materiałów tradycyjnych. Różny rozkład naprężeń w ściankach przewodów, wykonanych z materiałów sztywnych i termoplastycznych, jest istotnym kryterium w obliczeniach wytrzymałościowych i doborze konstrukcji.

Odkształcenie względne ścianki rur Zasadniczą różnicą, stanowiącą podstawę klasyfikacji przewodów, jest dopuszczalne odkształcenie względne ścianki pod wpływem obciążenia (nie należy go mylić z odkształceniem przekroju poprzecznego przewodu – ugięciem). Dla rur do kanalizacji bezciśnieniowej nie jest wymagana analiza naprężeń ze względu na lepkosprężyste właściwości materiału oraz relaksację naprężeń. Moser [2] proponuje przyjęcie bezpiecznych odkształceń względnych ścianek przewodów z tworzyw od 2,5 do 5%.
Karol Marzejon
Bibliografia: 1. Drescher G.: Das Im Erdreich eingebettetes Rohr. Österreichischer Ingenieur-Zeitschrift, Jahrgang 8/3. 2. Moser A. P., Shupe O. K., Bishop R.R.: “Is PVC strain limited after all these years”; Buried Plastics Pipes Technology ASTM STP 1093, September 1990. 3. Janson L.-E.: Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disposal, 4th edition, Borealis, Stockholm 2003.
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

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