Jdi na obsah Jdi na menu
 


Zatížení potrubí nadložím

12. 7. 2013

 

 1. Použité značky a jednotky

 

Poř. č.

Značka

Název veličiny

1.

py, ps

svislá složka tlaku zeminy

2.

px

vodorovná složka tlaku zeminy

3.

q

svislá síla na jednotku délky potrubí od tlaku zeminy

4.

Ps1

svislá síla na jednotku délky potrubí v hloubce 1m

5.

Ps100

svislá síla na jednotku délky odpovídající 100% SPD (100% zhutnění)

6.

h

hloubka zásypu

7.

hw

hladina spodní vody nad úrovní potrubí

8.

(ró)

hustota zeminy

9.

 h

výška zásypu, tj. hloubka uložení potrubí k vrchní hraně potrubí

10.

b

šířka výkopu

11.

g

gravitační konstanta

12.

(fí)

úhel vnitřního tření zásypového materiálu

13.

(fí)‘

úhel kluzného tření mezi zásypovým materiálem a stěnami výkopu

14.

(mí)

součinitel vnitřního tření zásypového materiálu

15.

(mí)‘

součinitel kluzného tření mezi zásypovým materiálem a stěnami výkopu

16.

f

součinitel tření mezi zeminou a potrubím

17.

k

poměr bočního tlaku ke kolmému tlaku pro materiál zásypu

18.

D

vnější průměr potrubí

19.

r

vnitřní poloměr potrubí

20.

s

tloušťka stěny potrubí

21.

spd

je poměr hodnoty hustoty zeminy v %, k hustotě odpovídající 100%zhutnění

22.

 

 

23.

 

 

 

2. Zatížení svislým zatížením od hmotnosti nadloží

Zeminy tvoří buď dvoufázové prostředí, které se skládá ze zrn a z vody vyplňující všechny póry, nebo tvoří trojfázové prostředí složené ze zrn a z pórů vyplněných zčásti vodou a z části plynem (vzduchem). Skalní horniny jsou složeny z pevné hmoty, která bývá rozpukána. Zeminy ani skalní horniny netvoří tedy pevnou hmotu a jejich vlastnosti jsou od pevných látek odlišné. 

              1. Při přenášení zatížení dochází ke vzájemným posuvům pevných částic, ke zmenšování objemu pórů, ke stlačování zeminy. Pokud jsou póry vyplněny vodou, je přitom mobilizován tlak v pórech. Platí tedy, že celkové totální napětí působící v zemině se přenáší jednak na pevný skelet, tj. efektivní napětí σ´, jednak na vodu v pórech, tj. pórový tlak u.

σ=σ´+u

Není-li zemina plně saturovaná vodou, je v pórech voda a vzduch. Pokles tedy závisí i na stupni nasycení vodou.      
       2. Svislá složka však není úměrná hloubce uvažovaného místa od hladiny a je udána Jansenovým vzorcem, beroucí ohled na tření materiálu mezi jednotlivými částmi a stěnou potrubí:

 vz4.jpg

kde

 vz5.jpg

Toto tření se výrazně uplatňuje u úzkého výkopu.

3. Hypotéza zemní klenby.  Při výpočtu zatížení potrubí zasypaných v relativně úzkých rýhách se svislými stěnami se připouští zahrnout vliv přenášení sil konsolidující zeminy zásypu do rostlé zeminy stěn na zmenšení svislého zatížení. Napětí v zemině se přerozděluje i v důsledku rozdílné schopnosti deformace potrubí a obklopující zeminy. Hypotéza zemní klenby je uvedena blíže např. ATV-DVWK-A 127 anebo ČSN EN 1295-1 Příloha B.

 

2. Zatížení vodorovným tlakem zeminy způsobenými svislými zatíženími při širokém výkopu

Zemním tlakem v následujícím kontextu se označují zejména vodorovné složky tlaku obsypu na potrubí. V běžných případech uložení jediného potrubí se při výpočtu uvažuje s působením zemních tlaků symetrickým podle svislé osy potrubí. Případy blízkého souběhu dvou či více potrubí nebo výrazně asymetrických podmínek uložení musí být řešeny individuálně.

Geostatické napětí se přitom určí výpočtem z návrhové objemové tíhy zeminy, návrhových geometrických veličin a návrhových parametrů zatížení na povrchu.

Účinek sypkých látek se projevuje podobným způsobem jako hydrostatický přetlak kapaliny. Jestliže nenastanou pohyby potrubí vůči zemině obsypu, nebo jsou pohyby velmi malé, tedy pro tuhá potrubí, musí se zemní tlak vypočítat ze stavu napětí v klidu. Součinitel tlaku v klidu, který vyjadřuje poměr mezi vodorovnými a svislými (tj. nadložními) efektivními napětími, se může určit z obecného výrazu:

Ko = (1 - sin φ´). Roc1/2

příp. Ko = tg (45o - φ´/2) . Roc1/2

kde je  φ´        efektivní hodnota úhlu vnitřního tření zeminy zásypu;

Roc       číslo prekonsolidace, pro normálně ukládané a hutněné zeminy je Roc = 1,00.

Mezní hodnoty zemního tlaku, tedy aktivní nebo pasivní tlak, mohou nastat pouze tehdy, je-li smyková pevnost horniny plně mobilizována a dojde k nezbytnému typu a velikosti pohybu zeminy nebo k deformaci potrubí. Zemní tlak na potrubí dosahuje v obecném případě mezilehlých hodnot, tzn., že vzájemný pohyb zeminy a potrubí není dostatečný k úplné mobilizaci mezních hodnot.

 Jako aktivní tlak považujeme tlak, který nastal při zhutńování zeminy. Za pasivní tlak považujeme tlak od deformace potrubí. Zde předpokládáme, že se jedná o potrubí tuhé a v tomto případě je smyková pevnost mobilizována velmi málo až zanedbatelně.

Pro výpočet mezních stavů tuhých potrubí za dočasné návrhové situace po zasypání zeminou lze přijmout hypotézu stavu porušení zeminy a existence smykových ploch v zásypu vykazujících po dobu konsolidace pohyb. Boky potrubí jsou pak zatíženy aktivním nebo zvýšeným aktivním zemním tlakem. Součinitel zemního aktivního tlaku nesoudržné zeminy se určí ze vztahu:

Ka = tg2 (45o - φ´/2), tj. Rankinův vzorec

Pro široký výkop se s ohledem na sedání zásypu výpočet rozšíří na několik možností. Více o uvedeném v  normě ČSN EN 13480-6 „Kovová průmyslová potrubí“ Část 6. „Doplňkové požadavky na potrubí uložené v zemi“, která je s ostatní literaturou dole citována.

 

3. Shrnutí zatížení

Podmínka pro toto zatížení je tuhá konstrukce trubky bez viditelného stlačení, jako je např. většina ocelových litinových, kameninových apod.

   Pro vyčíslení jednotlivých tlaků na potrubí bez betonového uložení platí

obr3z.jpg

  Pro vyčíslení jednotlivých tlaků na potrubí s betonovým uložením platí

obr3jpg.jpg

 

4. Některé charakteristiky zemin

 

Typ zeminy:

Hustota  kg/m3

Úhel vnitřního tření

Poměr bočního tlaku ke kolmému tlaku

Ornice

1450

22

0,33

Jíl

2000

14 až 22

0,33 až 0,4

Štěrk

1800 až 2000

33

 

Písek

1700 až 2100

22

0,33

Bahno

1500 až 1800

18

 

Zásypová zemina

2000

 

0,33

 
Tabulka vlastností zemin používaných pro zásyp

 

Výpočet pevnosti potrubí zatíženého zásypem zeminy nalezneme  v připravované publikaci "Jak na potrubí? Id) E-kniha o pevnostních výpočtech potrubí - teorie, potrubí v zemi.", kterou si budete moci stáhnout na těchto stránkách. 

            Zatížení zásypem je zatížení trvalé. Zatížení zásypem je udáváno jako síla na jednotku délky potrubí nebo na jednotku plochy potrubí. Pro nahodilá zatížení je uvedené vynásobeno dynamickým součinitelem, který je funkcí hloubky výkopu a druhu provozu nahoře na zemině, např. silnice, železnice, letiště. Vzorce jsou uvedeny v příslušných normách. 

 

           5.Kombinace uvedených zatížení zeminou a vnitřního tlaku

Pro případ, že by se stala kombinace zatížení zeminou a vnitřním tlakem větším než atmosférickým, postupuje se podle následujícího. Tato zatížení způsobují ve svých maximech obvodové napětí opačné orientace a jejich kombinace (tj. rozdíl) vyvolává ve svých maximech menší obvodová napětí.

V případě, že se dá organizačně zajistit, že potrubí bude v každé fázi stavby i provozu potrubí vždy pod vnitřním tlakem, je možné brát se tak pouze zatížení od tohoto vnitřního tlaku, jestliže způsobuje větší napětí než napětí od kombinace (tj. rozdílu) obou druhů zatížení. Specifikace větší a menší je brána v absolutních hodnotách uvedených napětí. V opačném případě se stěna potrubí dimenzuje na kombinaci (tj. rozdíl) obou druhů zatížení.

Ve většině případů se však uvedený předpoklad trvalé existence vnitřního tlaku zajistit nedá. Potrubí proto musí být odolné jak vnitřnímu tlaku, tak zatížení zásypem.  Jejich kombinaci nepotřebujeme kontrolovat, neboť dává, jak již bylo řečeno, nižší napěťová maxima.

 
 
               6. Literatura a odkazy pro další a podrobnější informace 
 

ČSN EN 13480-6 „Kovová průmyslová potrubí“ Část 6. „Doplňkové požadavky na potrubí uložené v zemi“.

ČSN EN 1295-1 "Statické výpočty potrubí uloženého v zemi při různých zatěžovacích podmínkách" Část 1 "Všeobecné požadavky"

ČSN 73 1001  "Zakládání staveb. Základová půda pod plošnými základy"      -  již neplatná

ČSN 73 0039 "Navrhování objektů na poddolovaném území"

TNV 78 0211 "Navrhování vodovodního a kanalizačního potrubí uloženého v zemi 

ATV - A127 Směrnice pro statické výpočty kanálů a potrubí pro vypouštění vod.

Tichý M. a kol.: Zatížení stavebních konstrukcí,

Hořejší J., Šafka J. a kol.: Statické tabulky

Superlit: Instalační příručka