Приложение Д. Методика прочностного расчета трубопроводов из полимерных материалов при подземной прокладке (общие принципы)

Приложение Д

Методика
прочностного расчета трубопроводов из полимерных материалов при подземной прокладке (общие принципы)

Прочностной расчет трубопроводов из полимерных материалов, уложенных в земле, рекомендуется сводить к соблюдению неравенства:

для напорных трубопроводов

; (Д.1)

для самотечных трубопроводов

; (Д.2)

для дренажных трубопроводов

, (Д.3)

где - максимальное значение деформации растяжения материала в стенке трубы из-за овальности поперечного сечения трубы под действием грунтов (, МПа) и транспортных нагрузок (, МПа);

- степень растяжения материала стенки трубы от внутреннего давления воды в трубопроводе;

- степень сжатия материала стенки трубы от воздействия внешних нагрузок на трубопровод;

- предельно допустимое значение деформации растяжения материала в стенке трубы, происходящей в условиях релаксации напряжений;

- предельно допустимая деформация растяжения материала в стенке трубы в условиях ползучести;

- коэффициент запаса, учитывающий вид перфорации в стенках трубы, который можно принять при круговом отверстии в гладкостенной трубе - 2,3; круговом отверстии в стекло-(базальто) пластиковой трубе - 3,0; щелевом отверстии со скругленными углами (соотношение сторон 8:1, например, 25 на 3) - 1,3; для других условий величина должна приводиться в нормативных документах.

Значение может быть определено по формуле

, (Д.4)

где - коэффициент постели грунта для изгибающих напряжений, учитывающий качество уплотнения, его можно принимать: при тщательном контроле - 0,75, при периодическом контроле - 1,0, при отсутствии контроля - 1,5;

- коэффициент запаса на овальность поперечного сечения трубы, принимается равным: 1,0 - для напорных и самотечных трубопроводов и 2 - для дренажных трубопроводов;

- относительное укорочение вертикального диаметра трубы в грунте, устанавливается как предельно допустимое значение

, (Д.5)

где - относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием грунтовой нагрузки;

- то же, под действием транспортных нагрузок;

- относительное укорочение вертикального диаметра трубы, образовавшееся в процессе складирования, транспортировки и монтажа. Его можно приближенно принимать по таблице Д.1.

Таблица Д.1

Кольцевая жесткость G_0 оболочек трубы, Па	Пси_м при степени уплотнения грунта
	до 0,85	0,85-0,95	более 0,95
До 276 000	0,06	0,04	0,03
276 000-290 000	0,04	0,03	0,02
Больше 290 000	0,02	0,02	0,01

, (Д.6)

где - коэффициент, учитывающий запаздывание овальности поперечного сечения трубы во времени и зависящий от типа грунта, степени его уплотнения, гидрогеологических условий, геометрии траншеи, может принимать значения от 1 до 1,5;

- коэффициент прогиба, учитывающий качество подготовки ложа и уплотнения, можно принимать: при тщательном контроле - 0,09, при периодическом - 0,11, при бесконтрольном ведении работ - 0,13;

- коэффициент, учитывающий влияние грунта засыпки на овальность поперечного сечения трубопровода, можно принять равным 0,06;

- модуль деформации грунта в пазухах траншеи, МПа;

- коэффициент, учитывающий влияние кольцевой жесткости оболочки трубы на овальность поперечного сечения трубопровода, можно принимать равным 0,15;

, (Д.7)

где - удельный вес грунта, ;

- глубина засыпки трубопровода, считая от поверхности земли до уровня горизонтального диаметра, м;

- кратковременная кольцевая жесткость оболочки трубы, МПа;

, (Д.8)

где - кратковременный модуль упругости при растяжении материала трубы, МПа;

I - момент инерции сечения трубы на единицу длины, определяемый по формуле

; (Д.9)

- коэффициент Пуассона материала трубы, приводится в нормативной документации;

, (Д.10)

где - коэффициент уплотнения грунта;

- транспортная нагрузка, принимаемая по справочным данным для гусеничного, колесного и другого транспорта, МПа;

n - коэффициент, учитывающий глубину заложения трубопровода, при Н < 1 n = 0,5;

- коэффициент, учитывающий процесс округления овализованной трубы под действием внутреннего давления воды в водопроводе (Р, МПа)

, (Д.11)

где - суммарная внешняя нагрузка на трубопровод, МПа;

; (Д.12)

; (Д.13)

; (Д.14)

, (Д.15)

где - кратковременная расчетная прочность при растяжении материала трубы, МПа;

, , - кратко- и долговременное значения модуля упругости при растяжении материала трубы на конец срока службы эксплуатации трубопровода, МПа.

, (Д.16)

где - коэффициент запаса, должен приводиться в нормативных документах.

Если в результате расчетов значение левой части выражения (Д.1) будет больше 1, то следует повторить расчеты при других характеристиках материала труб или укладки трубопровода.

Далее проверяют устойчивость оболочки трубы против действия сочетания нагрузок: для напорных сетей - грунтовые и транспортные , от грунтовых вод, , а также возможного возникновения вакуума в трубопроводе, для самотечных сетей - , для дренажных сетей - с использованием выражения

, (Д.17)

где - Коэффициент, учитывающий влияние засыпки грунта на устойчивость оболочки, можно принять 0,5, а для соотношения - равным 0,07;

- коэффициент, учитывающий овальность поперечного сечения трубопровода, при ;

- коэффициент запаса на устойчивость оболочки на действие внешних нагрузок, можно принять равным 3;

- длительная кольцевая жесткость оболочки трубы, МПа, определяется по формуле

. (Д.18)

Пример
расчета на прочность подземного канализационного трубопровода

Дано. Трубы с наружным диаметром 1200 мм, ПНД, среднелегкого типа с толщиной стенки s = = 46,2 мм (ГОСТ 18599) укладываются в траншею на глубину м в сети самотечной канализации. В условиях строительства по поверхности над трубопроводом возможно перемещение тяжелого транспорта с давлением на грунт МПа. Высота грунтовых вод - 1 м от поверхности земли. Требуется подобрать грунт для засыпки.

Решение. Для засыпки на месте строительства принимаем грунт с удельным весом . Значения кратко- и долговременного модулей упругости ПНД - МПа и МПа.

1. Определяем грунтовую нагрузку

2. Определяем общую нагрузку МПа

3. Определяем кратковременную кольцевую жесткость оболочки трубы по (Д.8, Д.9)

МПа.

4. Определяем относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием грунтовой нагрузки по (Д.6) при

или 3,7 %,

принимаем - как среднее значение, равным 1,25;

- с учетом периодического контроля равным 0,11;

- равным 0,15;

- равным 0,06;

- равным 5 МПа (для средних условий).

5. Определяем укорочение вертикального диаметра трубы под действием транспортной нагрузки по (Д. 10)

или 0,3%.

6. Определяем относительное укорочение вертикального диаметра трубы по (Д.5), приняв (для МПа и степени уплотнения грунта 0,85-0,95 по таблице Д.1)

7. Определяем максимальное значение степени растяжения материала в стенке трубы из-за овальности поперечного сечения трубопровода под действием нагрузок по (Д.4) при м

;

или 1%.

8. Определяем степень сжатия материала стенки трубы, происходящего под действием внешних нагрузок на трубопровод по (Д.14)

или 0,16%.

9. Определяем допустимую степень растяжения материала в стенке трубы, происходящего в условиях релаксации по (Д.15) при МПа

или 6,25%.

10. Определяем допустимую степень растяжения материала в стенке трубы, происходящего в условиях ползучести по (Д.16)

или 1,6%.

11. Проверяем прочность по (Д.2)

, что меньше 1,

т.е. принятые данные по грунту засыпки и его уплотнения удовлетворяют прочностным требованиям для данного трубопровода.