Jdi na obsah Jdi na menu
 


Caesar II a předizolované bezkanálové potrubí

8. 11. 2017

1. Popis předizolovaného bezkanálového (tj. sdruženého) potrubí

         V případě sdružených potrubních konstrukcí je použita jako vnitřní trubka uhlíková ocel a jako venkovní plášťová trubka je použita trubka z plastu nejčastěji polyetylénu PE-HD. Izolace je mezi venkovní plastovou a vnitřní ocelovou trubkou a pomocí ní jsou navzájem silově spojeny. Izolace může být i kombinovaná z minerální vlny a polyuretanu anebo jen z polyuretanu podle teploty ve vnitřní trubce. Izolace minerální vlnou je vnitřní.

Při tepelném zatížení dochází u všech třech složek ke stejným změnám délky v axiálním směru, vzniká tak celá řada napětí, které sdružená konstrukce musí zachytit. Z těchto důvodů je stanovena maximální teplota média, která většinou vyhovuje horké vodě tj. cca 130 až 140°C, je však nutné uvedené zkontrolovat. Sdružené potrubí jako celek má tepelnou roztažnosti blízkou tepelné roztažnosti oceli.

 

2. Svislé zatížení zásypem (nadložím). 
        Jestliže se jedná o úzký výkop, pak  platí  Lt/D<2 a zároveň Ht/Lt>3,5. V ostatních případech se jedná o široký výkop.  Kde  D je vnější průměr potrubí,  Lje šířka výkopu a Ht je hloubka výkopu. Vše, co se týká zatížení potrubí zásypem je blíže vysvětleno v kapitole 4. Zatížení potrubí, 6. Zatížení uložením potrubí v zemi na těchto našich stránkách.
          Více o uvedeném v  normě ČSN EN 13480-6 „Kovová průmyslová potrubí“ Část 6. „Doplňkové požadavky na potrubí uložené v zemi“.
          Pro široký výkop platí, že na potrubí působí ještě boční síla, která se získá vynásobením svislé síly Rankinovým součinitelem.  Boční zatížení je menší, v počítaném místě má průběh opačně orientovaný, takže výsledný moment je menší než pro úzký výkop.
            Caesar II používá při výpočtu vzorce pro široký výkop, které jsou totožné z normou.

 

3. Vodorovné zatížení zásypem (nadložím) v případě kombinace s tepelnou roztažností potrubí. 
         V případě, že je potrubí namáháno tepelně, roztahuje se a vzniká třecí síla mezi nadložím (většinou pískem) a povrchem trubky, která následně zabraňuje úplnému rozvinutí tepelné expanze. Uvnitř potrubí zůstává podélné napětí, které se řadí mezi sekundární.
          Podélné smykové napětí na kontaktu zemina – povrch potrubí Jde tady o svislé zatížení od zeminy vynásobené koeficientem tření mezi zeminou a povrchem potrubí. V našem případě jde o kontakt písek – plast. Písek i zásypová hornina mají hustotu cca 2000kg/m3, třecí úhel písku je 22°, koeficient tření mezi pískem a plastovým povrchem potrubí je 0,35. Ve všeobecnosti se pohybuje od 0,25 až po 0,5. Závisí především na tom, jak ostré hrany mají v zemině obsažené kaménky. Hodnoty jsou určeny z ČSN EN 1997-1, Eurokód 7: Navrhování geotechnických konstrukcí - Část 1: Obecná pravidla.
            Další překážkou je ohyb potrubí. V takovém případě bývá zemina stlačována ve směru kolmém na potrubí. Toto může být velmi tuhá překážka a může způsobit napětí větší než dovolené. Jak se toto dá řešit, uvidíme dále.

 

4. Projektování potrubí při ukládání za studena

         Výhodou při ukládání za studena (tj. za teploty okolí) je ten, že se může výkop ihned  po montáži a provedení těsnostní a tlakové zkoušky a bez zahřátí zasypat. Jsou zde však omezení: buď bude teplota média tak nízká, že tepelná dilatace bude zanedbatelná (což potom není horkovod, ale např. zpětná voda) anebo se provede  kompenzace délkové roztažnosti konvenčními prostředky, tj. U-kompenzátorem anebo axiálním vlnovcovým kompenzátorem.

Pro dimenzování dilatačních ramen u kompenzátorů U, Z a L se používá dilatačních polštářů anebo různých dilatačních profilů. Viz obrázky:

 

horkovod-test.jpg

 

dilatacni-polstar.jpg

 

dilatacni-polstar2.jpg

 Pro určení dilatačních polštářů musí být známa velikost očekávané celkové dilatace. Tato dilatace je závislá na délce trasy na teplotě média a na výšce nadloží proto musí být proveden přesný výpočet a samozřejmě taky na vlastnostech dilatačních polštářů, tj. na maximální stlačitelnosti a na tuhosti, tj. na určení síly, kterou polštáře vyvozují zpět do potrubí.

         Další možnost kompenzace je provozní samopředpětí. To znamená, že po zahřátí na určitou mez a následné vychladnutí potrubí nevrátí do původní polohy, ale zůstává prodloužené a v potrubí tak zůstává axiální napětí. Nevrácení do původní polohy může způsobuje axiální napětí, které se dostane za mez kluzu materiálu. Tento přechod do plasticity je u sekundárního napětí možný, ale je zde nebezpečí vybočení potrubí a dodatečně navrtávané odbočky nejsou z tohoto důvodu možné bez dodatečné kontroly pevnostním výpočtem potrubí.

            Po zahřátí potrubí a tímto i uvolnění prostoru v zemině, musí být zabezpečeno, aby do tohoto prostoru nenapadala zemina a nedošlo ke vzniku přídavných neplánovaných napětí při vychládání potrubí.

 

 

5. Projektování potrubí při ukládání za tepla.

        Při ukládání potrubí za tepla je nutno potrubí zahřát ještě před  jeho zasypáním. Zahřátí se může provést teplou vodou, parou či elektřinou. Po vychladnutí vzniká tímto v potrubí předpětí. Tohoto předpětí využíváme, jestliže není možné z důvodu nedostatku místa použít přirozená dilatační ramena.

 

6. Zatížení od deformace „polštářů“
            Stlačením dilatačního polštáře vzniká síla působící proti tepelné dilataci potrubí, proto je nutné, aby tuhost polštáře byla co nejmenší. Konstrukce může být např. polyetylén tvořící komůrky provedené tak, aby se do komůrek nedostala zemina. Tuhost polštářů od stlačení je např. C=4000Pa/mm. Síla od stlačení dilatačního polštáře se tedy plošně spojitá, a tvarem tvoří nejčastěji trojúhelník. V programu však zadáme jednu osamocenou sílu, která působí v těžišti trojúhelníku, což je řešení konzervativní. Uvedená síla není konstantní a je závislá na velikosti stlačení polštáře.

 

horkovod-testkol.jpg

 

             Výpočet pružné osamělé síly vypočítáme, vynásobíme-li C x l x Dv, kde Dv je vnější průměr sdruženého potrubí.

 

7. Využití procesoru „Buried pipe“ v programu Caesar II. Pro ukládání sdruženého potrubí

Po vymodelování tvaru potrubí otevřeme Buried pipe procesor a otevře se tato ikona:

 

bez-nazvu2.jpg

 

Nejdříve je nutné zadat výpočtový model zeminy, otevře se ikona dole. Model zeminy začíná číslem 2. Jednička je vyhrazena přímému zadávání veličin v dalších sloupcích tabulky.  CaesarII modeluje zatížení bilineárně v závislosti na posunu potrubí podle následujícího grafu.

 

diagram.jpg

 

 Jestliže klikneme na symbol „pyramida s vrtulí“ objeví se ikona, kterou zadáváme vlastnosti zásypové zeminy:

 

 

bez-nazvu.jpg

 

Pro náš případ sdruženého potrubí vyplníme jednotlivé řádky takto:

1.      FRICTION COEFFICIENT je třecí koeficient mezi povrchem potrubí a zeminou u nás pískem, je to tedy 0,35. Vyplňujeme vždy.

2.      SOIL DENSITY je hustota zeminy pro náš případ to je 2000 kg/m3.

3.      BURIED DEPTH TO TOP OF PIPE je hloubka potrubí v zemi k vrchu potrubí

4.      FRICT. ANGLE je třecí úhel vnitřního tření zásypové zeminy ve stupních, písek má třecí úhel o hodnotě 30°

5.      UNDRAINED SHEAR STRENGTH, jíl zásadně na zásyp nepoužíváme, necháme prázdné

6.      OVERBURDEN COMPACTION MULTIPLIER, koeficient upěchování zeminy, doplníme 4 až 6

7.      YIELD DISPLACEMENT FACTOR je znázorněn na obrázku nahoře, bývá předepsán, hodnotu ponecháme.

8.      THERMAL EXPANSION COEFFICIENT je součinitel tepelné roztažnosti sdruženého potrubí, můžeme zadat hodnotu pro ocel, viz předešlé kapitoly.

9.      TEMPERATURE CHANGE je rozdíl mezi pracovní teplotou média a teplotou při montáži potrubí.

Na základě vyplnění této tabulky CAESARII vypočítá zatížení potrubí od zeminy a vytvoří nový soubor. Do tohoto souboru se jako pružná podpěra vloží zatížení od tuhosti pružného polštáře podle předvedeného příkladu.

Po výpočtu zatížení zeminou Caesarem, program nahradí působení zeminy dodatečným zatížením, podle obrázku dále:

 

horkovod-testb.jpg




8. Výsledky výpočtu

V postprocesoru programu Caesar II je možno najít výsledné deformace v každém zadaném nodu. Z deformace ve vodorovném směru se určuje kolik „polštářů“ je nutné instalovat k potrubí, aby nebyl vypotřebován zdvih těchto polštářů a aby tak mohla být volně uskutečněna tepelná expanze potrubí.

            Dále je možné sestavit výpočtovou zprávu potrubí a dát ta průkaz bezpečnosti projektovaného díla. Výpočtová zpráva by měla obsahovat minimálně: maximální vypočítaná napětí pro zatížení trvalá, a zatížení tepelnou expanzí a jejich porovnání s normou stanovenými dovolenými napětími. A dále by měla obsahovat deformace v každém nodu  pro nejnepříznivější kombinaci zatížení.

 

 

9. Použitá literatura a literatura pro další studium

1.       Pekař V.: Jak na potrubí? I. E-kniha o pevnostních výpočtech potrubí - teorie, iPotrubí.cz, Vysoké Mýto, 2016

2.       Pekař V.: Jak na potrubí? III. E-kniha o programech pro pevnostní výpočty potrubí a zásadách při jejich používání, iPotrubí.cz, Vysoké Mýto, 2017

1.             ČSN EN 13480-3 Kovová průmyslová potrubí - Část 3: Konstrukce a výpočet

2.             ČSN EN 13480-6 Kovová průmyslová potrubí, Část 6: Doplňkové požadavky na podzemní potrubí

3.             ČSN EN 1993-4-3 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí Část 4-3 Potrubí

4.             ČSN EN 1997-1 Eurokód 7: Navrhování geotechnických konstrukcí - Část 1: Obecná pravidla.

5.             ČSN EN 253 Vedení vodních tepelných sítí - Předizolované sdružené potrubní systémy pro bezkanálové vedení vodních tepelných sítí - Potrubní systém z ocelové teplonosné trubky, polyurethanové tepelné izolace a vnějšího opláštění z polyethylenu

6.             Isoplus Fernwärmetechnik GmbH: Konstrukce, projektování sdruženého potrubí, vydání 10/2006

7.             FinTherm Praha – KWH Pipe a.s.: Projektování předvolovaného potrubí, bez datování

10.     CAESAR II Version 5.00 Applications Guide, COADE/ Engineering Physics Software, Inc, 2005

11.     CAESAR II, User‘s Guide, COADE/ Engineering Physics Software, Inc, 2004