Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Ще раз про характеристику надійності каналізаційного трубопроводу

Ні для кого не секрет, що поліетиленові труби міцно зайняли свою нішу на ринку матеріалів для зовнішніх трубопроводів, у тому числі й каналізаційних мереж. Довговічність експлуатації, простота в монтажі, мала питома вага, мінімальна шорсткість – ось лише кілька переваг з багатьох.

Разом з цим довговічність експлуатації трубопроводу з полімерних матеріалів може опинитися під питанням через низку помилок – у проектуванні, виборі матеріалу, при монтажі тощо.

Рівень овалізації труби (зміна форми) залежить від кільцевої жорсткості труби, підтримки від навколишнього ґрунту (рівня його ущільнення, рівня ґрунтових вод) та зовнішніх завантажень (транспортні навантаження).

Проектування підземних трубопроводів засноване на принципах взаємодії труби та навколишнього ґрунту, що впливає на робочі характеристики труби. Роль, яку відіграє кожен з них при експлуатації, залежить від характеристик жорсткості щодо співвідношення «ґрунт-труба».

Залежно від здатності набувати чи ні овальну форму полімерні труби класифікуються як жорсткі та гнучкі.

При використанні жорстких труб тимчасові навантаження та навантаження ґрунту розподіляються по колу труби зверху вниз за рахунок її внутрішнього вигину та міцності на стиснення. Жорсткі труби витримують малий за величиною прогин. За деяких обставин, наприклад установка труб малого діаметра в заболочених ґрунтах, поліетиленові труби можуть вести себе як жорсткі труби. В даному випадку труба має вищі жорсткісні характеристики, ніж навколишній ґрунт, і характеристики труби стають головними при визначенні міцності.

Труби, у яких жорсткість менша за жорсткість навколишнього ґрунту, називаються гнучкими. При низькій фіксуючій здатності ґрунту його відносно малі навантаження можуть викликати прогин гнучкої труби. Однак при правильній засипці ґрунт значно підвищує здатність труб переносити навантаження, при цьому навантаження ґрунту на трубу також зменшується.

Для жорсткої труби вертикальне навантаження буде збільшуватися у зв'язку з тим, що при осіданні засипного ґрунту його вага через сили тертя буде передаватися і на ґрунт безпосередньо над трубою. В результаті у міру зростання навантажень жорстка труба ламається і втрачає герметичність. Внаслідок поступового вимивання ґрунту засипки жорстка труба стає непридатною.

Гнучка труба в ґрунті, яка набуває під навантаженням овальної форми, піддається меншому навантаженню, ніж жорстка труба, що не змінює під навантаженням форми свого поперечного перерізу. Це пояснюється тим, що при виникненні овальності в поперечному перерізі труби, тиск на неї від ґрунту зворотної засипки буде частково передаватися за рахунок тертя на ґрунт по обидва боки труби. Вважається, що навантаження на гнучку трубу від ґрунту зворотної засипки обмежується лише вагою ґрунту, розташованого безпосередньо над трубою. Більшість поліетиленових труб вважаються гнучкими, тому що їх стійкість до прогину зазвичай менша за навантаження навколишнього ґрунту.

Основною фізико-механічною характеристикою для полімерних трубопроводів є номінальна кільцева жорсткість SN (кН/м2). Помилка з вибором саме цього параметра на стадії проектування несе чималу загрозу для подальшої експлуатації трубопроводу. Існує негласна думка, що величина SN характеризує глибину закладання трубопроводу: при SN 4 – 4 метри, SN 8 – 8 метрів і т.д. Це вкрай не вірно, оскільки на глибину закладання труб впливають також тип ґрунту, його ступінь ущільнення, наявність ґрунтових вод та величина транспортного навантаження.

Отже, при використанні поліетиленових труб важливо, щоб при кожному проектуванні трубопроводів, особливо для безнапірних систем, розрахунки (як для труби, так і для ґрунту) були проведені правильно.

У додатках А і Д стандарту ДСТУ Н Б В 2.5-40:2009 [1] чітко прописаний порядок розрахунку кільцевої жорсткості полімерного безнапірного трубопроводу, а також підбору ґрунту для зворотної засипки труби та ступеня ущільнення ґрунту. Крім того, в додатках враховується вплив ґрунтових вод і транспортних навантажень. На підставі цих додатків виробники полімерних труб розробили програми розрахунку, які повинні полегшити роботу фахівця при їх проведенні.

Однак слід зазначити, що дані програми з методики розрахунку на міцність трубопроводів з полімерних матеріалів при будівництві інженерних мереж не враховують ряд суттєвих факторів, які можуть бути важливі при проектуванні, наприклад форму траншеї (пряма, з похилими стінками або ступінчаста), навантаження від залізничного і наземного транспорту та інші, які суттєво впливають на розрахунки при підборі кільцевої жорсткості труби. Відсутні також ряд величин показників матеріалу та коефіцієнтів, які необхідно шукати в інших джерелах та/або окремо розраховувати (момент інерції труб, короткочасний модуль пружності, який сильно залежить від часу релаксації поліетиленової труби, матеріал і щільність ґрунту зворотної засипки), що в цілому позначається на збільшенні часу розрахунку.

Однією з таких розрахункових програм, яка враховує багато факторів, важливих при проектуванні підземних інженерних мереж, є програмний комплекс «Статичні розрахунки для каналізаційних каналів і трубопроводів», розроблений на основі стандарту ATV-DVWK-A 127. Даний стандарт був розроблений експертною комісією німецького об'єднання з проблем водного господарства, стічних вод і відходів. Зміни, що тричі вносилися до нього, дозволили йому стати універсальним програмним комплексом для розрахунку міцності полімерного трубопроводу.

У результаті розрахунку на підставі вихідних даних (опитувальний лист додається) Замовник отримує роздруківку, яка включає в себе кілька десятків коефіцієнтів, що характеризують експлуатаційні можливості трубопроводу:
– розподіл навантажень;
– поперечна сила;
– поздовжня деформація.
Даним розрахунком також перевіряються наступні параметри:
– перевірка короткочасної і тривалої стійкості;
– коефіцієнт запасу міцності.

За допомогою цієї програми можна на стадії проектування запропонувати рекомендації щодо монтажу для особливо складних випадків прокладки: великі глибини, болотиста місцевість, великі транспортні завантаження (аеродроми) тощо.

Також стандарт ATV-DVWK-A 127 пропонує додаткові вказівки для профільних труб:
– визначення достатньої жорсткості профілю (випучування тонкостінних ділянок профілю та розрахункова перевірка);
– перевірка багатоосьових напружених станів;
– визначення жорсткості та деформації при вигині профільованих труб.

Опитувальний лист для розрахунку згідно з ATV-DVWK-A 127



Автори: О. Стрілець, І. Крупак
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА