СТБ EN 13941 - 2009 Проектирование и монтаж систем предварительно изолированных трубопроводов централизованного отопления
Подождите немного. Документ загружается.
СТБ EN 13941-2009
Рисунок B.2 — Зависимость деформации от нагрузки
Обычно самыми важными сжимающими нагрузками являются:
a) сжатие по оси f-u, определяемое трением трубы о почву, смотрите раздел B.3.2,
b) горизонтальное сжатие по оси p-v, определяемое горизонтальным модулем реакции почвы,
смотрите раздел B.3.3.
B.3.2 Трение трубопровода и грунта (при осевом смещении)
Соответствующие предельные значения, f
u
, трения между полиэтиленовой оболочкой и
окружающей ее почвой должны определяться при соответствующем рассмотрении условий
установки, например:
a) тип засыпаемого материала и метод и степень уплотнения грунта,
b) максимальный и минимальный уровни грунтовых вод,
c) наличие очень жесткого дорожного покрытия, препятствующего боковых смещениям грунта,
d) влияние возможных будущих параллельных раскопок, выполняемых в районе расположения
трубопровода,
e) “туннельный эффект”, обусловленный возможным увеличением трения из-за увеличения
диаметра трубы при нагреве и уменьшением силы трения из-за уменьшения диаметра трубы
при остывании.
Для песчаных почв относительное смещение, u
u ,
между трубой и окружающим грунтом, требуемое
для достижения максимальной фрикционной устойчивости, f
u
, приблизительно равно u
u
= 1 - 3 мм.
Максимальная фрикционная стойкость может быть рассчитана как:
f
u
= μ σ
n
где
σ
n
эффективное нормальное напряжение, действующее вдоль поверхности полиэтиленовой
оболочки.
Для песчаных почв нормальное напряжение в оболочке может быть рассчитано на основе
давления в почве в состоянии покоя, давая в результате силу трения на единицу длины трубы:
где:
K
0
коэффициент почвенного давления в состоянии покоя, K
0
= 1 - sin φ;
Для песчаных почв можно использовать значение K
o
= 0,5;
G эффективный собственный вес трубопровода с водой;
σ
v
эффективное напряжение почвы на уровне центра трубопровода. Для гранулированных
почв:
168
СТБ EN 13941-2009
где
H
w
глубина залегания грунтовых вод ниже отметки, смотрите рисунок B.3;
γ
s
эффективная плотность почвы выше уровня грунтовых вод;
γ
sw
эффективная плотность почвы ниже уровня грунтовых вод = - y
sw
плотность водонасыщенного грунта ниже уровня грунтовых вод;
γ
w
плотность воды.
1 Отметка
2 Уровень грунтовых вод
Рисунок B.3 — Расчет эффективного напряжения почвы
Коэффициент трения
Коэффициент трения μ должен определяться при соответствующем рассмотрении типа почвы,
размера и формы зерен, уплотнения почвы при засыпке и скорости нарастания деформации.
Для песчаных почв коэффициент μ может быть рассчитан как:
μ = tan δ
где
δ угол пограничного трения между почвой и трубой.
Для песчаных почв и полиэтиленовых оболочек, δ может приниматься, приблизительно равным
2/3 φ, с предельным значением δ, равным, приблизительно, 20-22.
Для песчаных почв, которые не подвержены осадке, типичные расчетные значения для μ,
используемые для анализа усталости и проектирования расширений, могут быть взяты из таблицы
B 1.
Таблица B.1 — Коэффициенты трения для песчаных почв
Тип смещения Коэффициент трения, µ, смотрите
замечание 3
Медленное смещение или перемещения с учетом осадки
или гистерезиса (долгосрочные эффекты), смотрите
замечание 1.
0,2
Нормальное смещение, смотрите замечание 2. 0,3 - 0,4
169
СТБ EN 13941-2009
Быстрые смещения с краткосрочными воздействиями,
смотрите замечание 2.
0,6
ЗАМЕЧАНИЕ 1 Для труб большого диаметра, расположенных в хорошо отсортированном песке
существует риск, так называемого, туннельного эффекта, возникающего при
остывании. Туннельный эффект может обеспечить расширение, эквивалентное
µ = 0 – 0,2. Низкие значения должны использоваться, например, при расчете
свойств расширения.
ЗАМЕЧАНИЕ 2 При анализе низкоцикловой усталости, необходимо использовать среднее
значение. В большинстве случаев, значение µ = 0,4 считается соответствующим.
ЗАМЕЧАНИЕ 3 Необходимо учитывать свойства конкретных локальных почв.
B.3.3 Коэффициент горизонтальной реакции почвы (поперечной)
B.3.3.1 Основные принципы
Коэффициент горизонтальной реакции почвы или горизонтальная константа постели
определяется как отношение горизонтального давления почвы к горизонтальному смещению
трубопроводной системы.
где
p горизонтальная реакция почвы;
v относительное горизонтальное смещение между трубой и почвой.
Величина k = k
h
. D
c
(Force/Length
2
) определяется как горизонтальная константа постели.
Для подземных трубопроводов, не имеющих подстилающего слоя, удовлетворительная
зависимость между горизонтальным смещением трубы, и соответствующим сжатием почвы может
быть получена из выражения:
где:
p
u
максимальное давление почвы, обусловленное деформацией v
u
;
p давление почвы, p< p
u
и v< v
u
соответствующее деформации v.
Рисунок B.4 — Соотношение между горизонтальным смещением трубы и сжатием почвы
170
СТБ EN 13941-2009
Горизонтальная константа постели, которая определяется как момент сопротивления сечения на
графике зависимости воздействия от смещения, может быть вычтена из выражений,
представленных выше:
На графиках зависимости p - v показано упругое поведение почвы при малых смещениях,
обусловленных константой постели и пластичным поведением почвы при больших смещениях,
определяемых предельной нагрузочной способностью в горизонтальном направлении.
При моделировании билинейную диаграмму зависимости воздействия от смещения можно
использовать в случае, когда горизонтальная константа постели выбрана как 70 % от p
u
, деленная
на соответствующее смещение, смотрите рисунок B.4.
Для небольших смещений можно использовать значение k
h
равное 50 % от p
u
.
Предельное сопротивление почвы в горизонтальном направлении, p
u
, можно оценить с помощью
эквивалентной формулы, описывающей нагрузочную способность для боковой опоры (в несвязных
грунтах):
P
u
= γ · Z · K
q
где
K
q
коэффициент давления почвы, смотрите рисунок B.5.
Рисунок B.5 — Коэффициент давления почвы, K
q
, для песчаных почв
Предельное горизонтальное смещение v
u
точно не определяется. Результаты нескольких
испытаний, выполненных на трубах с небольшим диаметром, просуммированы в таблице B.2.
Таблица B.2 — Предельное горизонтальное смещение v
u
v
u
/Z %
Диаметр оболочки
D
c
Рыхлый песчаный
грунт
Плотный песок
75 мм, замечание 1 4,5 2,7
120 мм 3 2
> 300 мм 2 1,5
ЗАМЕЧАНИЕ Значения получены с помощью интерполяции.
Можно использовать другие значения, полученные путем расчетов или испытаний на анкерных
плитах.
B.3.3.2 Влияние больших глубин или жесткого дорожного покрытия
Механизм разрушения на стадии пластической деформации, который сильно влияет на
предельное значение, зависит от глубины залегания трубопровода. При малых или
промежуточных глубинах зона разрушения будет расширяться на поверхность с пассивным
171
СТБ EN 13941-2009
передним краем и активным краем на обратной стороне трубы. При глубинах залегания
трубопровода, больше чем, приблизительно 6-10
.
D
c
, зона пластичной деформации будет
развиваться как ограниченная зона, распространяющаяся перед трубой. Размеры этой зоны
зависят от степени уплотнения почвы, смотрите рисунок B.6.
1 Поверхность разрушения
2 Зоны деформации почвы
Рисунок B.6 — Механизм разрушения почвы при горизонтальном смещении трубы
Для труб, уложенных на небольших глубинах под жестким дорожным покрытием, например, под
слоем бетона, механизм разрушения с пассивным передним краем нейтрализуется, а механизм
разрушения с ограниченной зоной распространения может проявиться. Это приводит к намного
более высокой горизонтальной реакции почвы, чем обычно существует для таких глубин.
На результат влияет реальная жесткость покрытия, а так же диаметр трубы. Для очень жесткого
дорожного покрытия (например, из бетонных плит или дорожное покрытие для интенсивного
движения) FEM анализ (метод конечных элементов) указывает, что соотношение между
смещением трубопровода и сжатием почвы (смотрите рисунок B.4), для плотного песка и жесткого
дорожного покрытия, толщиной 0,4 м, может быть определено следующим образом:
При H ≥ 1 м, v
u
и p
u
умножаются 3.8.
При H < 1 м можно использовать значение, определенное для H = 1 м.
Примером жесткого дорожного покрытия могут служить, например, бетонные плиты и
асфальтированное шоссе, предназначенны для интенсивного движения. Более высокие е
горизонтальные реа ции почвы также могут существо ать в замороженной почве, расположенной к в
вокруг труб, это тоже необходимо учитывать в северных районах для почв, например, содержащих
глину.
Для легкого дорожного покрытия можно использовать коэффициент < 3.8.
172
СТБ EN 13941-2009
1 с жестким дорожным покрытием
2 Без жесткого дорожного покрытия
Рисунок B.7 — Реакция почвы для жесткого дорожного покрытия
B.3.4 Комбинированная жесткость полиуретановой пены (PUR), компенсаторы расширений
и почва
В зонах расширения комбинированная жесткость стальной трубы, полиуретановой пены,
полиэтиленовой оболочки, компенсаторов расширения и окружающего грунта должна
рассчитываться до получения комбинированного значения горизонтальной константы постели.
Горизонтальная константа постели, может быть выведена на основе констант постели для
различных элементов трубопровода. Однако, далее рассматриваются только полиэтиленовые
трубы, компенсаторы расширения и почва, деформации стальной трубы и полиэтиленовой
оболочки не учитываются, вследствие их небольшого размера.
Полная горизонтальная деформация равна сумме деформаций полиуретановой пены (v
1
),
компенсатора расширения (v
2
) и окружающей почвы (v
3
). Это означает, что обычно необходимо
рассматривать 3 серии пружин.
Для практических расчетов можно не учитывать жесткость полиэтиленовой оболочки, так как она
оказывает небольшое влияние на результат. Жесткость стальной трубы может быть учтена только
для труб большого диаметра, например, при d
o
≥ 610 мм.
При расчете константы постели для компенсаторов расширения необходимо учитывать
нелинейность кривой зависимости нагрузки от деформации компенсаторов.
173
СТБ EN 13941-2009
1 Компенсатор
2 Полиэтиленовый слой (PE)
3 Полиуретановый слой (PUR)
4 Сталь
5 Грунт
Рисунок B.8 — Символы для определения, константы постели
Рисунок B.9 — Комбинированная константа для упругой почвы
1) Полиуретановая пена:
2) Компенсатор расширения:
Горизонтальная константа постели для компенсаторов расширения должна определяться из
кривой зависимости нагрузки от смещения, основанной на фактической деформации,
смотрите раздел 6.5.2.
3) Окружающий грунт:
смотрите раздел В.3.3 и рисунок В.4
где
174
СТБ EN 13941-2009
E
cu
модуль упругости компенсатора, смотрите раздел 6.5;
t
cu
эквивалентная толщина компенсатора;
D
cu
эквивалентный наружный диаметр компенсатора.
Зависимость комбинированной нагрузки от смещения может быть рассчитана из уравнения:
1 Почва
2 Компенсатор
3 Результирующая кривая
Рисунок B.10 — Зависимость комбинированной нагрузки от смещения для
пенного компенсатора и почвы
B.4 Характеристические значения для почвенных нагрузок и параметров
почвы
B.4.1 Основные принципы
Геотехнические параметры для осевой и поперечной (боковой) устойчивости и анализ
деформации должны выбираться в соответствии с хорошей технической практикой, используя
соответствующий учет стохастических изменений свойств почвы.
Когда пределы изменений свойств почвы хорошо известны (например, гранулированные песчаные
почвы), можно использовать стандартные значения и методы, описанные в разделе B.3.
В других случаях, особенно когда ожидаются большие изменения свойств почвы, или когда
трубопроводная система установлена в мягкой почве (содержащей глину и торф), и в областях,
имеющих осадку, может потребоваться изучение механизмов локальных грунтов, согласно
раздела B.4.2.
Процедуры раскопок и засыпки должны выполняться таким образом, чтобы значения почвенных
параметров, используемых в расчетах, были гарантированы в достаточной степени.
B.4.2 Изучение механики грунтов
В случае, когда требуется изучение механики локальных грунтов, чтобы определить достоверные
значения для взаимодействия почвы с трубопроводом, необходимо сделать поправку на
различные источники неопределенности:
a) Полевые испытания выполняются в ограниченном числе точек, расположенных вдоль оси
трубопровода, а свойства почвы в промежуточных точках могут отличаться;
b) Различие в процедурах выборки образцов почвы;
175
СТБ EN 13941-2009
c) Лабораторные испытания, определяющие параметры взаимодействия почвы и трубопровода
на основе результатов бурений, испытания твердости с помощью конуса и выборка образцов
грунта, использование теоретических моделей.
При использовании средних значений (вероятность превышения 50 %), они должны быть
умножены или разделены на коэффициенты случайности (коэффициенты неравномерности
нагрузки), чтобы достигнуть характеристических верхних или нижних значений, требуемых для
анализа трубопроводной системы (с вероятностью превышения 5 %).
Результаты изучения механики грунтов должны, следовательно, явно интерпретироваться как
предельные значения или как средние значения.
Отчет о механики грунтов должен в дальнейшем ясно подтверждать, нужно ли использовать
коэффициенты случайности и, если да, то какие из них.
Коэффициенты случайности для параметров почвы, используемые для средних значений,
представлены в таблице B.3. [смотрите стандарт EN 1594:2000].
Таблица B.3 — Коэффициенты случайности для параметров почвы, используемые для
средних значений
Параметр Коэффициент случайности
Нейтральная вертикальная почвенная нагрузка 1,1
Пассивная вертикальная почвенная нагрузка 1,1
Модуль реакции грунтового основания
- для песка и глины
- для торфа
1,3
1,4
Нейтральная горизонтальная почвенная нагрузка
(угол контакта = 120
o
), и предельная
горизонтальная нагрузочная способность почвы
(угол контакта 180
o
)
— для песка
— или глина
— для торфа
1,2
1,4
1,5
Трение почвы 1,4
B.5 Специальные требования по устойчивости
B.5.1 Основные принципы
В состоянии с большими осевыми сжимающими нагрузками, действующими на трубы, может
появиться риск вспучивания, обусловленный эффектом колонны (глобальная неустойчивость).
Поэтому, глубина залегания должна быть достаточной, чтобы верхний слой засыпного грунта
176
СТБ EN 13941-2009
обеспечил требуемую устойчивость.
B.5.2 Устойчивость в вертикальном направлении
Формулы, представленные в первой части этого раздела должны быть исправлены, как
отмечено:
Вертикальная устойчивость должна быть проверена в случае:
a) небольшого укрывающего слоя почвы,
b) высокого уровня грунтовых вод,
c) раскопок в зоне укладки труб.
Остальное влияние почвы должно быть достаточным, чтобы противостоять вертикальной реакции,
равной 2Q для пары трубопроводов, и равной Q для одной трубы.
Для "бесконечно" длинного, частично прямого участка трубопровода с равномерно
распределенной вертикальной нагрузкой Q, действующей на единицу длины трубы
(обусловленной засыпкой и собственным весом трубы) вспучивания можно избежать, если:
где
/ момент инерции одной трубы;
N
cr
осевая сжимающая нагрузка, действующая на одну трубу;
начальное отклонение;
y
s
запас прочности, y
s
= 1,1.
Для участков трубопровода, полностью заблокированных трением:
где
A
s
площадь поперечного сечения стальной трубы;
α коэффициент теплового расширения стали;
ΔT температурное расширение от равновесной температуры (где N = 0) до максимальной
температуры;
v коэффициент Пуассона (v= 0,3 для стали);
σ
p
растягивающее напряжение , обусловленное внутренним давлением;
p внутреннее давление (максимальное рабочее давление);
A
p
область, на которой действует давление.
Q может быть рассчитано из выражения Q = G
w
+ G + 2 S
F
где
G
w
эффективный вес почвенного слоя, расположенного над трубой на метр длины трубы;
G эффективный собственный вес изолированной трубы на метр длины трубы;
S
F
поперечная сила, которая может быть обусловлена давлением почвенного слоя в
состоянии покоя, показанная на вертикальном разрезе, представленном на рисунке В.1.1.
177