Różnice w projektowaniu sieci z tworzyw sztucznych w porównaniu z sieciami z materiałów tradycyjnych (3). Kryteria wymiarowania.

Często dla tych materiałów podawane są również wielkości maksymalnych sił niszczących.

W przypadku rur z tworzyw podstawowym kryterium projektowym jest pionowe ugięcie przewodu oraz odporność na wyboczenie.

Ugięcie rur z tworzyw Dla rur z tworzyw ugięcie przewodu wywołane obciążeniem od gruntu oraz od ruchu może być obliczone ze wzoru Spangler’a zgodnie z metodyką tzw. skandynawską opisaną przez Molina [2].

(dn/D)q = 0,083 * q/(16 * SR + 0,122 * E’S)

gdzie:

dn – strzałka ugięcia rury w przekroju poprzecznym [m]

D – średnica rury mierzona w obojętnej osi zginania [m]

q – obciążenie pionowe [kN/m2]

SR – sztywność obwodowa  rury (E * I/D3) [kN/m2]; I=en3/12, gdzie en – grubość ścianki

E’S – moduł sieczny gruntu [kN/m2]

Różne właściwości surowców stosowanych do produkcji rur z tworzyw termoplastycznych oraz tradycyjnych powodują zupełnie inne zachowanie w gruncie. Rury termoplastyczne dzięki lepkosprężystym właściwościom są elastyczne i mogą ulegać ugięciom. Jest to niewątpliwie ważna ich zaleta, ponieważ, gdy dochodzi do przeciążeń, cecha ta zapewnia przewodom niezawodność.

Dla rur z tworzyw określone są zarówno początkowe jak i maksymalne ugięcia. Dla rur PVC-U, PP i PE dopuszcza się występowanie wysokich ugięć ze względu na wysoką odporność materiałów na naprężenia. Maksymalne ugięcia przewodów kanalizacyjnych są determinowane zachowaniem szczelności na nadciśnienie i podciśnienie.

Maksymalne długotrwałe dopuszczalne ugięcia dla rur termoplastycznych PVC-U, PP i PE nie przekraczają 15%. Należy zauważyć, że zgodnie z wymogami norm [7], [11] oraz współczynnikiem bezpieczeństwa wytrzymałość mechaniczna rur kanalizacyjnych strukturalnych jest badana w teście elastyczności obwodowej wynoszącej 20 lub 30% średnicy rur.

Na sieci wykonane z duroplastów (żywice wzmacniane włóknem szklanym) nakłada się znacznie ostrzejsze wymagania niż dla termoplastów (PVC-U, PP, PE-HD). Wartość dopuszczalnego ugięcia przekroju jest dla rur z duroplastów uwarunkowana możliwością rozwarstwienia się materiału rury, a także klasą jej sztywności. Maksymalne dopuszczalne ugięcie takich rur bezpośrednio po montażu zazwyczaj mieści się w przedziale 2-4%.

Należy podkreślić, że przy projektowaniu sieci kanalizacyjnych mogą być określone przez projektanta niższe wartości dopuszczalnego maksymalnego ugięcia. Przyjmuje się, że dla rur ułożonych pod torami kolejowymi, maksymalne ugięcie przewodu nie może być większe niż 2%. Wytyczne ATV-DVWK-A 127 podają, że maksymalne długotrwałe ugięcie przewodu może wynosić 6%. Dopuszcza się zwiększenie maksymalnego ugięcia przewodu do 9% pod warunkiem wykonania dodatkowych obliczeń odkształceń nieliniowych. Dla rur ciśnieniowych, maksymalne ugięcie występuje w przypadku braku (zaniku) ciśnienia wewnętrznego. Generalnie obowiązują dla nich te same kryteria odkształcenia początkowego, jak dla przewodów bezciśnieniowych, jednak zgodnie z normą [1] w przypadku braku ciśnienia maksymalne długotrwałe ugięcie nie powinno przekroczyć 8%.

Zagęszczenie a ugięcie Wieloletnie badania wpływu stopnia zagęszczenia gruntu na odkształcenia przewodów z tworzyw pozwoliły na opracowanie wykresu do doboru klasy sztywności rur. Dla przewodów z tworzyw sztucznych do kanalizacji bezciśnieniowej o sztywności obwodowej od 2 do 16 kN/m2 został opracowany wykres przedstawiający wpływ sztywności rury, stopnia zagęszczenia gruntu na poziom ugięcia przewodu (wykres). Wykres powstał na podstawie wyników projektu badawczego TEPPFA i APME. Przedstawia on wartości ugięć, jakich można oczekiwać po zakończeniu prac montażowych przewodów do kanalizacji bezciśnieniowej, produkowanych zgodnie z normami [7], [8], [9], [10] o średnicy nie przekraczającej 1100 mm dla przykrycia nad przewodami od 0,8 do 6,0 m. Szczegółowy zakres stosowania wykresu jest zawarty w tabeli 2. Należy zaznaczyć, że zgodność ułożenia rur z założeniami projektowymi powinna być zgodna z pkt. 4.2 normy PN-EN 1610 [5].

W początkowym okresie po zakończeniu prac montażowych, trwającym od 10 do 40 dni, następuje konsolidacja gruntu. Końcowe ugięcie będzie osiągane wcześniej, jeżeli rura jest poddana działaniu obciążeń od ruchu kołowego. W przypadku stosowania w wykopach gruntów gliniastych konsolidacja gruntu może potrwać nawet do kilku lat. Aby określić wartość końcową ugięcia należy do wartości początkowej odczytanej z wykresu przedstawionego na wykresie dodać wartość określoną współczynnikiem Cf:

* Cf = 1% – przy dobrym zagęszczeniu gruntu (klasa W)

* Cf = 2% – przy umiarkowanym zagęszczeniu gruntu (klasa M)

* Cf = 3% – przy słabo zagęszczonym gruncie sypkim (klasa N)

* Cf= 4% – przy słabo zagęszczonym gruncie spoistym (klasa N)

Na podstawie powyższych danych (wykres) można stwierdzić, że:

* Rury o sztywności 4-8 kN/m2 zapewniają w większości bardzo dobre warunki pracy, przy założeniu klasy zagęszczenia na poziomie średnim (M) lub dobrym (W).

* Nie zaleca się układania przewodów < 4 kN/m2 przy niskiej klasie zagęszczenia (N).

* Zastosowanie rur o wyższej sztywności obwodowej 16 zamiast 8 kN/m2 przy założeniu zagęszczenia na poziomie dobrym (W) lub średnim (M) nie powoduje znaczących różnic w stopniu ugięcia przewodów. Organizacja TEPPFA zaleca stosowanie klasy zagęszczenia średniej (M) i dobrej (W) oraz rur o sztywności od 4 do 16 kN/m2. Prace montażowe oraz stopień zagęszczenia gruntu (tabela 3) należy wykonać zgodnie z wymogami norm [4] oraz [5]. Informacji na temat klasyfikacji gruntów oraz sposobów ich zagęszczania należy szukać w normie PN-ENV 1046 [4].

Sztywność obwodowa rur Sztywność obwodowa jest parametrem projektowym dla sieci wykonanych z tworzyw sztucznych. Zgodnie z wynikami europejskiego projektu badawczego „Projektowanie podziemnych rurociągów z tworzyw termoplastycznych” sztywność obwodowa wpływa tylko w ok. 3,5% na wielkość ugięcia rur z tworzyw. PRiK zaleca stosowanie rur z tworzyw termoplastycznych (PVC, PE, PP) o krótkotrwałej sztywności obwodowej 4 (SN4) lub 8 kN/m2 (SN8). Wytrzymałość rur z tworzyw jest charakteryzowana poprzez sztywność obwodową SN wyrażaną w kPa lub kN/m2 (1 kPa = 1 kN/m2). Rzeczywista sztywność obwodowa rur SN jest oznaczana zgodnie z normą [6]. Teoretyczna sztywność obwodowa rur z tworzyw jest obliczana z następującego wzoru:

SR = E * I / [Dm3 * (1-n2)]

Gdzie:
SR – sztywność obwodowa rury [kN/m2 ] lub [kPa]
E – moduł sprężystości Younga [kN/m2]
I – moment bezwładności przekroju rury w kierunku wzdłużnym [m4/m]; dla rur o jednorodnej (litej) ściance I=en3/12

Dm3 – średnica osi obojętnej zginania ścianki rury [m]

n – współczynnik Poissona

Należy stosować rury o odpowiedniej sztywności obwodowej zgodnie z wymogami jakości zagęszczenia gruntu. Dla rur do kanalizacji podciśnieniowej wymaga się, aby sztywność obwodowa wynosiła min. SN 4 kN/m2.

W kolejnym odcinku omówione zostaną m.in. różnice w wytrzymałości konstrukcji kanałowych, naprężenia i wydłużenia niszczące dla różnych materiałów, wyboczenie rur

Karol Marzejon
Literatura:1. PN-EN 805 Zaopatrzenie w wodę – Wymagania dotyczące zewnętrznych systemów i ich części składowych.2. Janson L.E., Molin J. “Design and installation of buried plastic pipes”, Stockholm, Akaprint ApS, Aarhus, 1991.

3. prCEN/TS 15223 Plastics piping systems – Validated design parameters of buried thermoplastics piping systems, 2005.

4. PN-ENV 1046:2007 Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych – Systemy poza konstrukcjami budynków do przesyłania wody lub ścieków – Praktyka instalowania pod ziemią i nad ziemią.

5. PN-EN 1610:2002 Budowa i badania przewodów kanalizacyjnych.

6. PN-EN ISO 9969:1997 Rury z tworzyw termoplastycznych – Oznaczenie sztywności obwodowej.

7. PN-EN 13476-3:2007 (U) Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do bezciśnieniowej podziemnej kanalizacji deszczowej i sanitarnej – Systemy przewodów rurowych o ściankach strukturalnych z nieplastyfikowanego poli(chlorku winylu) (PVC-U), polipropylenu (PP) i polietylenu (PE) – Część 3: Specyfikacje dotyczące rur i kształtek z gładką wewnętrzną i profilowaną zewnętrzną powierzchnią oraz systemu, typu B.

8. PN-EN 1852-1:1999/A1:2004 Systemy przewodowe z tworzyw sztucznych. Podziemne bezciśnieniowe systemy przewodowe z polipropylenu (PP) do odwadniania i kanalizacji. Wymagania dotyczące rur, kształtek i systemu.

9. PN-EN 1401-1 Systemy przewodowe z tworzyw sztucznych. Podziemne bezciśnieniowe systemy przewodowe z niezmiękczonego poli(chlorku winylu) (PVC-U) do odwadniania i kanalizacji. Wymagania dotyczące rur, kształtek i systemu.

10. PN-EN 12666-1:2006 (U) Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do bezciśnieniowej podziemnej kanalizacji deszczowej i sanitarnej Polietylen (PE) – Część 1: Wymagania dotyczące rur, kształtek i systemu.

11. PN-EN 1446:1999 Systemy przewodowe z tworzyw sztucznych – Rury z tworzyw termoplastycznych – Oznaczanie elastyczności obwodowej.
Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf

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