Приложение А. Методика расчета нагрузок на упорные элементы неподвижных опор

Приложение А

Методика расчета нагрузок на упорные элементы неподвижных опор

А.1 Неподвижные опоры, расположенные в грунте, должны быть закреплены в армированном бетоне класса не ниже В 15, причем фиксирующие их бетонные конструкции должны устанавливать на твердый и тщательно уплотненный грунт или на свайное основание.

А.2 Конструкции не должны создавать дополнительную нагрузку на трубопровод, а главное - обеспечивать сопротивление, соответствующее расчетной нагрузке. Максимальное усилие, передаваемое на железобетонный щит, рассчитывают как сумму осевых (продольных) сил в напорной трубе. Если силы, действующие с обеих сторон опоры, имеют одинаковое направление, то принимают их сумму, если силы действуют в противоположном направлении, значение наименьшей из сил принимают с коэффициентом 0,8.

А.3 При параллельной прокладке нескольких трубопроводов общее усилие, воспринимаемое железобетонным щитом, - сумма осевых сил N _i от каждого трубопровода.

А.4 Размеры щита неподвижной опоры определяют при заданных значениях А и С методом подбора размеров А и В [в уравнении (А.1)], исходя из условия

R _бис.=f ₁·(A/C-r ²)+f ₂·2(B·C)+f ₂·2·A·B, (А.1)

где R _бис. - расчетная удерживающая сила железобетонного щита, действующая по биссектрисе внутреннего угла отвода, кН;

r - наружный радиус оболочки трубы (r = d / 2).

В обычных условиях прокладки рекомендуется принимать следующие значения расчетного сопротивления грунта:

f ₁ = 150 кПа - расчетное сопротивление насыпного грунта с послойным уплотнением (через 150-200 мм), рекомендуется принимать по СП 22.13330.2016 (таблица Б.9);

f ₂ = 35 кПа и 42 кПа - расчетное сопротивление на боковой поверхности (при  _гр=90°) для песчаных грунтов средней плотности крупных и средней крупности на глубине соответственно 1 или 2 м [СП 24.13330.2021 (таблица 7.2)].

А.5 В угловых неподвижных опорах (рисунки А.1 и А.2), между направлением действия реакции опоры R _бис и плоскостью боковых граней железобетонного щита существует угол  _гр, поэтому формула (А.1) для трапецеидального в сечении железобетонного щита может быть преобразована к виду

R _бис.=f ₁·(A·C)+f ₁·2(B·C-r ²)·cos _гр+f ₂·(A+D)·h _тр, (А.2)

где  _гр= - угол между боковой гранью железобетонного щита и биссектрисой внутреннего угла;

h _тр - высота трапеции, м;

D - длина основания трапеции, м.

Размеры А и B принимают по типоразмеру трубопровода.

Примечание - Значение расчетного сопротивления талых грунтов следует принимать по данным геологических исследований.

R _бис=f ₁·(A·C)+f ₁·2(B·C-r ²)·cos  _гр+f ₂·(A+D)·h _тр, (А.3)

где  _гр= - угол между боковой гранью железобетонного щита и биссектрисой внутреннего угла;

h _тр - высота трапеции, м;

D - длина основания трапеции, м.

Размеры А и B, принимают по типоразмеру трубопровода.

Размер С - высоту щита, принимают исходя из глубины прокладки трубопровода, при условии наличия слоя грунта над железобетонным щитом не менее 300 мм с учетом габаритных размеров упорных плит элемента неподвижной опоры из условия, что значение высоты и ширины железобетонной плиты должно быть не менее чем на 200 мм больше габаритных размеров упорной ПЭ плиты.

А.6 Характеристики арматуры железобетонных щитов неподвижных опор при глубине заложения трубы 1 м от верха изоляции трубы, приведены в таблице А.1.

Таблица А.1 - Примерные характеристики железобетонных щитов неподвижных опор

Диаметры изолированных труб d/D, мм	Характеристика арматуры
	Количество горизонтальных стержней, шт.	Диаметр, мм
32-75	2	4
90-110	2	6
125-200	2	8
225-250	2	8
280-315	4	10
400-500	4	10
560-630	4	12
710-900	4	12
Примечание - Для армирования угловых неподвижных опор применяются сварные арматурные сетки по ГОСТ 23279. Габариты арматурного каркаса задают исходя из обеспечения разности размеров А, В, С железобетонной плиты и каркаса в диапазоне 50-100 мм.

А.7 Размеры железобетонного щита принимают в зависимости от числа труб, проходящих через щит. Размер В щита прямой неподвижной опоры зависит от диаметра и количества прутков силовой арматуры. Таким образом, размеры А, B и С щита зависят от целого ряда параметров и их должны рассчитывать индивидуально для каждого конкретного случая.

А.8 Условие неподвижности линейной неподвижной опоры определяется уравнением

Rk _з·N _пр, (А.4)

где R - расчетная удерживающая горизонтальная сила железобетонного щита, кН;

k _з - коэффициент запаса, рекомендуется принимать не менее 1,2.

Для угловых неподвижных опор выражение (А.3) может быть преобразовано к виду

R _бис.k _з·N _бис, (А.5)

где N _бис. - расчетная сила, действующая по биссектрисе внутреннего угла неподвижной опоры, Н;

R _бис. - сила отпора грунта, действующая по биссектрисе внутреннего угла, кН.

Необходимо учитывать, что нормативную прочность бетон в железобетонной плите неподвижной опоры набирает только через 28 сут при 20°С. При более низких температурах скорость набора прочности бетона существенно замедляется.

А.9 В таблице А.2 приведены значения прочности бетона на сжатие в процентах от нормативной прочности бетона В 15 (М 200) в зависимости от его выдержки. Для заливки железобетонных щитов неподвижных опор рекомендуется применять бетон с характеристиками не ниже В 15.

Таблица А.2 - Зависимость прочности бетона от выдержки

Шлакопортландцемент марки 300	Класс бетона	Выдержка, сут, мес.	Прочность бетона - % от класса при температуре среды, °С
			0...5	5...10	10...15	20...25
	В 15	1 сут	6	12	17	22
		2 сут	15	18	26	32
		3 сут	18	25	32	38
		5 сут	25	32	40	48
		7 сут	38	45	58	65
		14 сут	48	55	63	75
		28 сут	55	62	82	100
		3 мес.	70	85	90	110

А.10 Самокомпенсация продольных напряжений, обеспечивающая взаимную неподвижность слоев трубы на прямых участках и участках плавного упругого изгиба труб не обеспечивает неподвижность трубы на участках крутых поворотов с использованием фасонных изделий (отводов).

А.11 При расчете размеров железобетонного блока необходимо учитывать допустимое давление на грунт, которое устанавливают на основе геотехнических изысканий. В большинстве случаев рекомендуется пользоваться формулой

, (А.6)

где В - ширина крепежного блока, м;

С - высота крепежного блока, м;

R _верт. - результирующая вертикальная сила, кH;

 _грунта - допускаемое давление на грунт (в большинстве случаев принимают равным 200 кH/м ²).

А.12 Явление продольной ползучести в отводе и участках труб, непосредственно примыкающих к отводу, обусловлено тем, что в крутоизогнутом отводе возникают силы (рисунок А.4), стремящиеся растянуть плечи отвода. Чем большее значение имеет угол поворота, тем выше значение этих растягивающих и изгибающих сил. В результате, в защемленном мерзлым грунтом изолированном отводе, возникает результирующая сила на растяжение N _бис.р, направленная по биссектрисе внутреннего угла, стремящаяся растянуть плечи отвода в сторону наружной образующей (т.е. выпрямить фитинг), что со временем приводит к появлению зоны подвижности отвода в грунте или деформации ППУ теплоизоляции отвода.

А.13 В документации изготовителей как правило углы поворотов отводов и угловых неподвижных опор задают между продолжением направления трубы до отвода и направлением по оси отвода. В связи с этим необходим пересчет на значение половины внутреннего угла отвода (180-)/2.

А.14 Поскольку результирующая сила N _бис.р действует по биссектрисе внутреннего угла отвода, она может быть определена по формуле

, (А.7)

где N _бис.р - сила, действующая по биссектрисе внутреннего угла, под воздействием внутреннего давления среды в отводе, Н;

- угол поворота трубопровода (рисунок А.4);

r - внутренний радиус рабочей трубы, м;

p - давление среды в трубопроводе, МПа.

А.15 Результирующий вектор N _бис.1 от сложения двух равных продольных сил обусловленных давлением  _пр.р и изменением температуры рабочей трубы  _пр.t, как уже отмечалось выше, действует по биссектрисе внутреннего угла и может быть определен (для случая продольной нагрузки на растяжение, вызванных охлаждением рабочей трубы) по формуле

. (А.8)

А.16 Соответственно, при нагрузках в трубопроводе, обусловленных повышением температуры трубопровода, оба слагаемых N _пр.t и N _пр.р имеют отрицательные значения. Это может случиться при наполнении водой охлажденного до низких климатических температур трубопровода, например, после ликвидации аварии зимой. Поэтому перед наполнением охлажденного трубопровода рекомендуется производить предварительный его разогрев подачей напряжения на нагревательную ленту.

А.17 Допустимое давление, с которым ПЭ соединительная деталь может длительно воздействовать на ППУ теплоизоляцию в отводе, составляет не более, чем 0,15 МПа, [уравнение (5.19)].

А.18 Площадь ППУ, на который действует сила N _{бис.отв} в отводе, рекомендуется принимать равной двум площадям сечения рабочей ПЭ трубы по уравнению

F _ппу=2·(·d ²/4), (А.9)

где d - наружный диаметр напорной трубы.

А.19 Площадь ППУ, на который действует сила N _{бис.отв} в сварном или гнутом отводе, рекомендуется принимать примерно равной трем площадям сечения рабочей ПЭ трубы, по формуле

F _ппу=3·(·d ²/4). (А.10)

А.20 Постоянное продольное растягивающее напряжение вызывает бесконечное продольное удлинение - ползучесть трубы. Существует радиальная ползучесть рабочей трубы, вызванная воздействием внутреннего давления.

А.21 Предел ползучести - наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает значения, установленного документацией изготовителя (обычно для ПЭ труб принимают, что радиальная ползучесть не превышает 3% за 50 лет). В этом общем случае предел ползучести равен MRS.

А.22 В связи с этим, для недопущения явления ползучести, для отводов, защемленных в мерзлом грунте, суммарная нагрузка от действия всех сил, действующих по биссектрисе внутреннего угла N _бис в трубопроводах подземной прокладки должна быть уравновешена силой сопротивления ППУ теплоизоляции и грунта.

А.23 Длительная прочность ППУ на сжатие от воздействия в отводе перерезывающих сил (сил, действующих поперек слоя ППУ теплоизоляции в центральной зоне отвода) незначительна (0,15 МПа), прочность мерзлого грунта может быть на несколько порядков выше. Следовательно, в мерзлом грунте существует вероятность повреждения ППУ теплоизоляции в отводе, например, в период возникновения перерезывающих сил в отводе в результате охлаждения в аварийной ситуации опорожненного трубопровода. В связи с этим, при проектировании трубопроводов с прокладкой в условиях промерзающих или многолетнемерзлых грунтов, не следует применять теплоизолированные отводы с углами, превышающими значения приведенные в таблице 5.2, вместо них следует применять угловые неподвижные опоры.

А.24 Для увеличения площади взаимодействия отвода с грунтом и увеличения силы сопротивления грунта (в т.ч. сезонно оттаивающего) применяют железобетонные щиты.