Różnice w projektowaniu sieci z tworzyw sztucznych w porównaniu z sieciami z materiałów tradycyjnych (5). Ruro – nie pękaj!

Podczas projektowania przewodów do kanalizacji bezciśnieniowej istotnym kryterium jest występowanie naprężeń zginających. Przewody z tworzyw PVC-U, PP oraz PE posiadają wyższą wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu (rysunek) zwłaszcza w odniesieniu do rur z betonu, żelbetu oraz kamionki. Bardzo mała odporność betonu, żelbetu na rozciąganie (σR = 6 N/mm2) powoduje, że przewody muszą posiadać grube ścianki, co powoduje ograniczenia w kształtowaniu przekroju poprzecznego oraz zwiększa wagę wyrobów. N/mm2 = Mpa Naprężenia i wydłużenia niszczące Podczas projektowania sieci bezciśnieniowych oraz ciśnieniowych, zwłaszcza z materiałów tradycyjnych, istotnym kryterium są naprężenia niszczące oraz wydłużenia. Liczne analizy [4] stanu technicznego eksploatowanych kanałów wskazują, że najczęściej spotyka się następujące uszkodzenia w kanałach betonowych i żelbetowych: rysy, pęknięcia, wypadnięcia spękanych fragmentów konstrukcji, ubytki korozyjne ścian i ubytki dna kanałów [5]. Uszkodzenia wynikały zarówno z korozji i zużycia ściernego, abrazji dna przewodów oraz z nadmiernych przeciążeń konstrukcji. W kanałach kamionkowych najczęściej obserwowane były uszkodzenia mechaniczne (pęknięcia podłużne, obwodowe). We wszystkich badanych kanałach występowały nieszczelne złącza. Wiele jest też innych badań potwierdzających dobrą pracę kanałów wykonanych z materiałów tradycyjnych, w miejscach gdzie nie dochodziło do przeciążeń oraz błędów podczas montażu i eksploatacji. Wieloletnie analizy wskazują też na poprawę jakości wyrobów na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. W zapewnieniu szczelności, ze względu na bezpieczeństwo konstrukcji sieciowych, bardzo istotna jest zarówno analiza wytrzymałościowa, jak i zgodność założeń i obliczeń na etapie projektowania z rzeczywistymi warunkami podczas montażu i eksploatacji. Typowe wartości naprężeń i wydłużeń niszczących dla różnych materiałów, stosowanych do budowy sieci, są podane w tabeli 2. Podane wartości są orientacyjne i mogą się różnić w zależności od właściwości stosowanego materiału. Należy zauważyć, że dla sieci wykonanych z materiałów betonowych, azbesto-cementu, żeliwa szarego dopuszcza się bardzo małe wydłużenia, poniżej 0,2-0,4%. Sieci z tworzyw PVC-U, PP i PE-HD, dzięki lepko-sprężystym właściwościom, mają bardzo dużą wydłużalność (tabela 2). Dodatkowo dla rur z tworzyw, w wyniku relaksacji, naprężenie wraz z upływem czasu ulega zmniejszeniu (przy stałym poziomie odkształcenia).
Sieci wykonane z duroplastów – żywic wzmacnianych włóknem szklanym (GRP) – nie dopuszczają do większych wydłużeń jak 2-4%. Wyboczenie rur Wyboczenie jest kryterium projektowym dla sieci wykonanych z tworzyw sztucznych i nie dotyczy materiałów tradycyjnych, za wyjątkiem cienkościennych rur stalowych. Dla rur z tworzyw do kanalizacji bezciśnieniowej wykonuje się obliczenia granicznej nośności na wyboczenie zgodnie z przyjętą metodyką, tzw. skandynawską, opisaną przez Molina [2]. W ten sposób sprawdza się, czy przyjęta sztywność obwodowa rury oraz moduł sieczny gruntu zapewnia wymaganą wytrzymałość na zewnętrzne obciążenia. W praktyce przyjmuje się zgodnie z [3], że jeżeli rury kanalizacyjne posiadają wymaganą elastyczność pierścieniową do 30%, badaną zgodnie z normą [6], to rury takie są odporne na wyboczenie. Dla rur ciśnieniowych, posiadających dużą sztywność obwodową, wyboczenia rzadko będą decydującym kryterium projektowym. Zgodnie z normą [1] rurociągi ciśnieniowe wodociągowe należy projektować na wytrzymałość w warunkach nieustalonych przy podciśnieniu 80 kPa (w przybliżeniu 20 kPa ciśnienia absolutnego). W gruntach plastycznych (jak muły, gliny) wyboczenie można obliczyć z następującego wzoru: qcrit = 24 [SN] + 0,666 * Et, gdzie: qcrit – krytyczne ciśnienie wyboczenia [kPa], [SN] – nominalna sztywność obwodowa rury [kN/m2], Et – moduł styczny gruntu [kN/m2]. Warunek: [SN] > 0,0275 Et. Inne grunty: qcrit = 5,63 * ([SN] * Et)1/2, gdzie: qcrit – krytyczne ciśnienie wyboczenia [kPa], [SN] – nominalna sztywność obwodowa rury [kN/m2], Et – moduł styczny gruntu [kN/m2]. W praktyce, dla rur z tworzyw układanych w gruncie, wyboczenie rzadko jest czynnikiem krytycznym. Wyboczenie zgodnie ze wzorem należy sprawdzać, jeżeli przewód ma być układany w miękkich, plastycznych gruntach, np. mule czy glinie. Ugięta rura posiada mniejszą odporność na wyboczenie. Fakt ten uwzględnia się poprzez zastosowanie współczynnika redukcyjnego ß, którego wartość można wyliczyć ze wzoru: ß = 1-3* (d/D), gdzie: ß – współczynnik redukcji wyboczenia, (d/D) – ugięcie przewodu [%]. Zakres ciśnienia nominalnego Ciśnienie nominalne jest istotnym kryterium projektowym dla sieci wodociągowych, kanalizacji ciśnieniowej oraz podciśnieniowej.

Rury z tworzyw produkowane są na bardzo szeroki zakres ciśnień roboczych, umożliwiając najbardziej optymalny dobór w zależności od wymagań. Zalety lepko-sprężystych właściwości tworzyw są przydatne szczególnie w sieciach ciśnieniowych, zapewniając bardzo wysokie bezpieczeństwo pracy w różnorodnych warunkach eksploatacji. Ciśnienie nominalne (PN), w przypadku przewodów z tworzyw, zależy od szeregu wymiarowego rur (SDR), wymaganej minimalnej wytrzymałości rury (MRS) oraz od przyjętego projektowego współczynnika bezpieczeństwa C w zależności od warunków pracy instalacji. Dla rur wodociągowych i kanalizacyjnych z PE projektowy współczynnik eksploatacji C wynosi 1,25 dla temperatury roboczej do 20°C. Obliczenie maksymalnego naprężenia projektowego ss: ss = MRS/C [MPa], gdzie: ss – maksymalne naprężenie projektowe [MPa], MRS – minimalna wytrzymałość MRS po 50 latach w temp. 20ºC [MPa], C – współczynnik eksploatacji (projektowy) dla danego materiału (tabela 4), Obliczenie ciśnienia nominalnego PN: PN = 20* ss /(SDR-1) [bar], gdzie: PN – ciśnienie nominalne [bar], ss – maksymalne naprężenie projektowe [MPa], SDR – stosunek wymiarów normatywnych (ang. Standard Dimension Ratio) – stosunek średnicy zewnętrznej rury do grubości jej ścianki. Dla rur ciśnieniowych z tworzyw istotne jest też sprawdzenie odporności na wyboczenie przy podciśnieniu -0,08 MPa oraz odporności na uderzenie hydrauliczne (0,9* ss). W teście ciśnieniowym, wykonanym zgodnie z normą EN ISO 9080, wartość dolnej granicy przedziału ufności LCL (ang. Lower Confidence Limit) określa wytrzymałość materiału rury. Jest ona podstawą do klasyfikacji wartości MRS.
MRS jest klasyfikowane wg PN-EN ISO 12162. Wartość LCL podawana jest w MPa i oznacza przewidywaną długotrwałą wytrzymałość na ciśnienie hydrostatyczne dla wody o temperaturze 20ºC w okresie 50 lat. W praktyce trwałość przewodów z tworzyw sztucznych będzie dłuższa i dlatego też projekt normy prCEN/TS 15223 podaje wartości współczynników projektowych dla 100 lat (C100).
Karol Marzejon
Bibliografia: 1. PN-EN 805 Zaopatrzenie w wodę – Wymagania dotyczące zewnętrznych systemów i ich części składowych. 2. CEN/TR 1295-3 Structural design of buried pipelines under various conditions of loading — Part 3: Common method. 3. prCEN/TS 15223 Plastics piping systems – Validated design parameters of buried thermoplastics piping systems, 2005. 4. D. Zwierzchowski, Analiza bezpieczeństwa betonowych i kamionkowych przewodów kanalizacyjnych, praca doktorska, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2000. 5. Andrzej Kuliczkowski, Rury kanalizacyjne. Własności materiałowe, Kielce 2001. 6. PN-EN 1446:1999 Systemy przewodowe z tworzyw sztucznych – Rury z tworzyw termoplastycznych – Oznaczanie elastyczności obwodowej.
Zobacz artykuł w wersji pdf 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