Приложение В (обязательное). Расчет труб диаметром 100 - 150 мм на поперечный изгиб при комбинированной нагрузке

Приложение В
(обязательное)

Расчет
труб диаметром 100 - 150 мм на поперечный изгиб при комбинированной нагрузке

В соответствии с п. 15.107 "Требования к основаниям под напорные трубопроводы" СНиП 2.04.02 возможная просадка грунтов I - III категорий (таблица 47) составляет более 20 см. Применение раструбных труб из серого чугуна в этом случае не допускается из-за перелома труб и разлома раструбов.

Рассмотрим возможность применения труб диаметром 100 мм с толщиной стенки 6,0 мм и длиной 5 и 4 м.

Рассмотрим расчет труб диаметром 100 мм при заложении в траншее при глубине 2,0 м с транспортной нагрузкой Н-18 на поверхности земли. В этом случае значение приведенной внешней нагрузки составляет 890 кгс/м при укладке на плоское основание. Труба без внутреннего цементно-песчаного покрытия. Собственный вес трубы - 107,3 кг; вес транспортируемой воды - 40 кг; суммарный вес - кг; общая нагрузка на трубу - 920 кгс или 180 кгс/м (1,8 кН).

Определение изгибающих моментов у трубы, работающей как балка на упругом основании, представляет значительные трудности ввиду неопределенности расчетной схемы, где величина пролета может колебаться от до l.

Задача несколько упрощается, если рассматривать трубопровод, лежащий на отдельных опорах. Это имеет место при укладке трубопровода на слабый грунт. Способ расчета труб разработан Е.Н. Лессингом, В.Ф. Евтюхиным, А.И. Сегалем, Н.Н. Леонтьевым и Г.К. Клейн (см. Клейн Г.К. Расчет на прочность подземных трубопроводов. - М., 1969, стр. 170 - 178). В этом случае трубчатая балка опирается по концам на опоры, нагружение трубы внешней нагрузкой является самым невыгодным.

Результаты наших экспериментальных исследований труб на поперечный изгиб с одновременным воздействием внутреннего давления показали, что внутреннее давление не снижает прогиб трубчатой балки, т.е. не уменьшает изгибающий момент от внешней нагрузки. В этом случае напряжения в стенке трубы будут равны сумме напряжений от поперечного изгиба и внутреннего давления.

В этом случае изгибающий момент М и прогиб f трубы длиной 5 м от воздействия действующей нагрузки могут быть определены по формулам:

, (Б.1)

где q - распределенная нагрузка, кгс/м;

l - пролет трубы, м;

, (Б.2)

где J - момент инерции, , ;

E - модуль упругости для ВЧШГ, ;

r - срединный радиус.

Напряжения в стенке трубы от изгиба будут равны:

, (Б.3)

где W - момент сопротивления поперечного сечения трубы, , .

Коэффициент запаса прочности K = 300/73,5 = 4,08.

Для безраструбных труб с муфтовыми соединениями длиной 5 м и диаметром 100 мм примем для расчетов величину внутреннего рабочего давления, равную 3,0 МПа .

Тогда кольцевые напряжения от внутреннего давления будут равны:

. (Б.4)

При совместном воздействии внешних изгибающих поперечных нагрузок и внутреннего давления суммарное напряжение в стенке трубы определяется по энергетической теории прочности:

. (Б.5)

В этом случае коэффициент запаса прочности .

Для раструбных труб длиной 5 м при величине рабочего давления P = 1,6 МПа , , , K = 4,37.

Для безраструбных труб с муфтовыми соединениями типа "Жибо" диаметром 100 мм и длиной 4 м при P = 4,0 МПа получим:

;

;

;

;

.

Суммарные напряжения составят:

. (Б.6)

Тогда запас прочности K = 300/55,8 = 5,4.

Для раструбных труб диаметром 100 мм длиной 4 м при величине рабочего давления P = 1,6 МПа получаем:

.

Для труб диаметром 100 мм длиной 5,6 м производства ОАО "Липецкий металлургический завод "Свободный Сокол" при получаем:

.

В этом случае прогиб трубы, равный 41,86 см, является нежелательным, хотя использование труб в этих условиях возможно исходя из прочности стенки и раструба трубы, поэтому необходимо предусмотреть промежуточную опору.

Исходя из этих расчетов труб диаметром 100 мм можно констатировать, что при прогибе не более 20 см в случае поперечного изгиба с одновременным воздействием внутреннего давления в пределах 1,8 - 4,0 МПа коэффициенты запаса прочности лежат в пределах 4,2 - 5,4, т.е. обеспечивается надежная работа трубопровода с доверительной вероятностью р = 0,997 и выше.

При укладке труб на сплошное основание значения будут значительно меньше, чем в рассматриваемых случаях, а коэффициенты запаса прочности будут выше, чем K = 4,2 - 5,4, поэтому обеспечивается надежная работа труб диаметром 100 мм при прогибах труб на 20 см. Расчеты труб диаметром 150 мм также показали их высокую надежность при поперечном изгибе (K = 5,8 - 8,3).