طراحی لوله های پلی اتیلن مدفون

بخش اول

این بخش شامل اطلاعات مهندسی لازم برای محاسبه فشارهای وارده از طرف زمین و بارهای زنده به لوله های پلی اتیلن است که با استفاده از این اطلاعات می توان واکنش لوله به این فشارها را با در نظر گرفتن برهمکنش بین لوله و خاك اطراف آن تعیین نمود و برای قضاوت در مورد تناسب فاکتورهای ایمنی در نظر گرفته شده برای یک کاربرد خاص به کار برد.

فشار ناشی از خاك حاصل ترکیبی از وزن خود خاك و بارهای سطحی است. با خاکریزی در اطراف و روی لوله پلی اتیلن، فشار خاك افزایش می یابد و لوله در جهت عمودی خم شده و در جهت جانبی به سمت خاك اطراف منبسط می شود. انبساط جانبی خاك را فشرده می کند و موجب تقویت مقاومت خاك می شود. این عامل در ترکیب با سفتی ذاتی لوله، باعث ایجاد مقاومت بیشتر در برابر ادامه انبساط جانبی و خمش عمودی لوله می شود.

در زمان خاکریزی ۱، تنش حلقوی (پیرامونی) در دیواره لوله ایجاد می شود. در اثر خمش و تغییر شکل لوله، تنش های خمشی حلقوی ۲ (کششی و فشاری) ایجاد می شوند و در اثر فشردن خاك در اطراف لوله، تنش فشاری حلقوی ای شکل می گیرد. تنش حلقوی ناشی از خمش و فشار، بجز در لوله های مدفون در اعماق کم که تحت اثر بارهای زنده قرار دارند، سبب شکل گیری تنش فشاری خالص می شود.

بزرگی خمش و تنش ایجاد شده نه تنها به خواص لوله، بلکه به خواص خاك اطراف هم بستگی دارد. بزرگی این خمش و تنش باید محتاطانه در محدوده عملکرد لوله های پلی اتیلن نگهداشته شوند. خمش بیش از اندازه می تواند موجب از بین رفتن پایداری و ممانعت از جریان شود و تنش فشاری بیش از حد ممکن است به شکستن دیواره یا اعوجاج لوله ۳ منجر شود. محدودیت های عملکردی لوله های پلی اتیلن توسط واتکینز، زپک و آلمان (۱) ارائه شده و در شکل ۶- ۳ نشان داده شده است.

الزامات طراحی و ساخت بسته به اینکه تأسیسات برای کار تحت فشار یا برای کار بدون فشار در نظر گرفته شده باشند، تا حدی متفاوت است. این تفاوت ها در بخش های مقاله  »نصب زیرزمینی لوله های پلی اتیلن « تشریح شده اند.

همچنان با شرکت توسن صنعت آپادانا تولیدکننده و ارائه کننده انواع لوله های پلی اتیلن، لوله آبیاری، نوار آبیاری و لوله دریپردار همراه باشید.

محاسبات

در بخش ۳، نحوه محاسبه فشار خاك وارد بر لوله در اثر وزن خاك و بارهای سطحی، نحوه تعیین خمش های حاصله بر اساس خواص لوله و خاك، و نحوه محاسبه فشار خاك مجاز (ایمن) برای فشردن دیواره (شکستگی) و اعوجاج لوله های پلی اتیلن تشریح شده است.

برای تعیین تناسب یک لوله پلی اتیلن خاص برای یک کاربرد خاص، همیشه نیاز به انجام محاسبات با جزئیات کامل نیست. استاندارد AWWA M-55 با عنوان »لوله های پلی اتیلن- طراحی و نصب « در مورد نسبت ابعادی، نصب و عمق دفن لوله می باشد. برای لوله های تحت فشاری که در محدوده طراحی این استاندار قرار می گیرند، حدود خمشی مشخص شده برای لوله های پلی اتیلن رعایت شده است، فاکتور ایمنی در برابر اعوجاج حداقل برابر با ۲ است و از تنش فشاری مجاز برای پلی اتیلن تجاوز نمی شود. بنابراین، طراح در مورد لوله هایی که بر اساس این محدوده طراحی اندازه بندی و نصب شده اند، نیازی به انجام محاسبات سنگین ندارد.

محدوده طراحی استاندارد AWWA M-55

در استاندارد AWWA M-55 با عنوان »لوله های پلی اتیلن- طراحی و نصب « یک محدوده طراحی تعریف شده است. کاربردهایی که در حیطه آن قرار می گیرند، بجز محاسبه اعوجاج با استفاده از معادله ۶- ۵۸ ، نیازی به انجام محاسبات دیگر ندارند. مشخص شده است که اگر نسبت ابعادی لوله ۲۱ ( DR 21 ) یا کمتر باشد، مانند جدول ۶- ۱۶ ، حداقل فاکتور ایمنی برابر با ۲ است و نیازی به انجام محاسبات نیست.

در چنین شرایطی (قرار گرفتن کاربرد در حیطه استاندارد AWWA )، مراحل طراحی به طور چشم گیری تسهیل می شوند. طراح می تواند آنالیز طراحی دفن را با جزئیات کامل انجام داده و از راهنمایی های موجود در محدوده طراحی ارائه شده توسط AWWA به عنوان ابزاری برای سنجش صحت محاسبات طراحی خود و تناسب فاکتور ایمنی بدست آمده، بهره ببرد. همچنین او می تواند با اطمینان از اینکه طراحی دفن در چنین شرایطی (قرار گرفتن کاربرد در محدوده استاندارد AWWA ) از قبل بر طبق راهنماهای موجود در این فصل، مورد آنالیز قرار گرفته است، بدون انجام جزئیات طراحی دفن، کار را ادامه دهد.

مشخصات فنی محدوده طراحی عبارت اند از:

– لوله از مواد پلی اتیلنی دارای درجه بندی تنش ساخته شده است.

– اساسا بار سطحی مرده (بار سطحی ساکن که برای مدت طولانی ساکن است و برداشته نمی شود) روی لوله وارد نمی شود،

سطح آب زیرزمینی بالاتر از سطح لوله نیست، و اقدامات لازم جهت جلوگیری از شناور شدن لوله های کم عمق، در نظر گرفته شده است.

– مواد پرکننده اطراف لوله از دانه های درشت تشکیل شده اند که حداقل به اندازه ۸۵ % چگالی استاندارد ناظر ۱ متراکم شده اند و مقدار E΄ آن ها حداقل ۱۰۰۰ psi است. جدول ۶- ۲۲ را ملاحظه بفرمایید.

– وزن واحد حجم خاك محل، از ۱۲۰ pcf تجاوز نمی کند.

– لوله به جهت کنترل بارهای برشی و خمشی و رعایت حداقل شعاع خمش، طبق توصیه های کارخانه سازنده، نصب شده است و با الزامات استاندارد ASTM D2774 (برای لوله های تحت فشار) و یا استاندارد ASTM D2321 (برای لوله های غیر فشاری) مطابقت دارد.

– حداقل عمق پوشش برابر با ۲ فوت ( ۶۱ / ۰ متر) است؛ مگر اینکه لوله بر اساس استاندارد AASHTO H20 تحت بار کامیون قرار بگیرد که در این مورد عمق پوشش بیش از ۳ فوت ( ۹/ ۰ متر) یا قطر لوله است.

– حداکثر عمق پوشش برابر با ۲۵ فوت ( ۶۲ / ۷ متر) است.

دسته بندی های نصب

لوله های پلی اتیلن را به منظور انجام محاسبات، می توان بسته به عمق پوشش، بار وارده از سطح، سطح آب زیرزمینی و قطر لوله، به دسته تقسیم نمود. فرمول مورد استفاده برای محاسبه بار وارده به لوله و عکس العمل لوله به بار، برای هر دسته اندکی با دسته دیگر متفاوت است. مرز بین این دسته ها کملاً واضح نیست و برای تصمیم گیری در مورد مناسب تر بودن یکی از این دسته بندی ها در یک تأسیسات خاص، نیازمند قضاوت مهندسی هستیم. این دسته بندی ها عبارت اند از:

• نصب استاندارد – ترانشه یا خاکریزی.

این نوع نصب با پوشش حداکثر ۵۰ فوت با یا بدون بار ترافیکی، خط آهن و یا سربار، قابل انجام است. برای قرار گیری در این دسته که در آن بارهای زنده (متحرك) حضور دارند، پوشش لوله باید حداقل برابر قطر یا ۱۸ اینچ، هر کدام که بزرگ تر بود، باشد. مقدار فشاری که از طرف زمین به لوله وارد می شود، از روش منشور فشار ۱ (تنش خاك ژئوستاتیک) محاسبه می شود. برای محاسبه خمش، از فرمول آیوا اصلاح شده ۲ استفاده می شود. شکستگی و اعوجاج جزو محدودیت های عملکردی هستند. »محدوده طراحی « استاندارد AWWA هم در بخش نصب استاندارد قرار می گیرد.

• نصب با پوشش کم عمق و تحت بار وسایل نقلیه.

این دسته به لوله هایی اطلاق می شود که در عمق حداقل ۱۸ اینچی و البته کمتر از قطر لوله دفن شده اند. در این دسته بندی نصب، همان معادلاتی مورد استفاده قرار می گیرند که در نصب استاندارد بکار می رفتند، تنها یک معادله اضافه وجود دارد که رابطه بار وارده از وسایل نقلیه با مقاومت لوله در برابر خمش و توان نگهدارندگی خاك را بیان می نماید.

• نصب در خاکریز عمیق.

نصب در خاکریز عمیق تر از ۵۰ فوت انجام می شود. برای لوله های پروفیلی که در ترانشه هایی با عمق کمتر از ۵۰ فوت قرار می گیرند، انجام محاسبات فشار خاك لازم است. با توجه به این که در نصب خاکریز عمیق فشار خاك بر اساس تجهیزات مسلح ۳ محاسبه می شود؛ خمش با استفاده از نمودار واتکینز- گاب ۴ و اعوجاج از معادله مور- سلیج ۵ محاسبه می شود که با معادلات نصب استاندارد تفاوت دارند.

• آثار شناوری در پوشش های کم عمق.

این دسته به مواردی اطلاق می شود که پوشش کافی برای جلوگیری از شناور شدن یا فروپاشی هیدرواستاتیک ندارند. اعوجاج هیدرواستاتیک بدلیل کاربرد آن در طراحی زیر زمینی، در این فصل معرفی شده است.

بخش ۳ فصل طراحی، محدود به طراحی لوله های پلی اتیلن مدفون در ترانشه ها یا خاکریزهاست. محاسبات ارائه شده برای تعیین بار و واکنش لوله به آن، ممکن است در تکنولوژی های بدون نیاز به ترانشه زنی از قبیل ترکاندن لوله قدیمی و حفاری جهت دار، قابل کاربرد نباشند. خاك در چنین تکنولوژی هایی (بدون نیاز به ترانشه) بر خلاف نصب لوله در ترانشه، لوله را نگه نمی دارد. باید برای کسب اطلاعات لازم برای طراحی، با تأمین کننده تکنولوژی های بدون ترانشه مشاوره انجام شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد طراحی لوله های نصب شده با استفاده از حفاری جهت دار به فصل »کاربرد لوله های پلی اتیلن در حفاری جهت دار « و همچنین استاندارد ASTMF1962 با عنوان »استفاده از حفاری جهت دار افقی ( Maxi-Horizontal ) برای قرار دادن لوله ها یا انشعابات پلی اتیلنی در زیر موانع، شامل گذر از رودخانه ها « مراجعه کنید.