اعوجاج دیواره لوله مهار نشده ( اعوجاج هیدرواستاتیک )

اعوجاج هیدرواستاتیک

معادله اعوجاج که در مقاله “اعوجاج دیواره لوله های مهار شده (مدفون)” ارائه شد، برای کمک در طراحی کاربردهایی با پوشش کم عمق بود. با این حال از این معادله می توان برای محاسبه مقاومت اعوجاج لوله هایی که در اثر خلأ داخلی تحت فشار هوای خارجی قرار می گیرند، یا لوله هایی که در دریاچه یا استخر غوطه ور می شوند، یا لوله هایی که درون لوله محافظ بدون دوغاب ریزی قرار می گیرند، استفاده نمود. همچنان با شرکت توسن صنعت آپادانا تولیدکننده و ارائه کننده انواع لوله های پلی اتیلن، لوله آبیاری، نوار آبیاری و لوله دریپردار همراه باشید.

لوله های مهار نشده لوله هایی هستند که با بافت خاکی یا نگهدارنده های بتنی، مهار نشده اند. لوله های روزمینی و لوله هایی که در لوله محافظ بدون دوغاب ریزی قرار می گیرند، مهار نشده هستند. لوله های مدفون در شرایطی مهار نشده به حساب می آیند که خاك پیرامون آن ها، مقاومت در برابر اعوجاج لوله را چندان افزایش ندهد. این وضعیت در شرایطی بوجود می آید که عمق پوشش بقدر کافی زیاد نباشد که مانع از غوطه ور شدن لوله گردد، درنتیجه لوله اندکی بالا آمده و ارتباط کف لوله با بستر قطع می شود. آب های زیرزمینی، سیلاب ها و یا بروز خلأ می تواند موجب اعوجاج لوله های مهار نشده شود.

در لوله های مدفون کم عمق، ممکن است نوع خاصی از اعوجاج مهار نشده که به آن اعوجاج »رو به بالا « گفته می شود، اتفاق افتد.

اعوجاج رو به بالا وقتی اتفاق می افتد که فشار جانبی وارد از طرف آب زیرزمینی یا خلأ، دیواره لوله را به سمت داخل بفشارد و همزمان نیروی بویانسی تاج لوله و خاك روی آن را به سمت بالا می راند. شکل شکل 6-11 اعوجاج رو به بالا را نشان می دهد. در مواقعی که عمق پوشش کمتر از آن است که حرکت رو به بالای تاج لوله را مهار کند، لوله در معرض اعوجاج رو به بالا قرار دارد. پیشنهاد شده است که باید حداقل 4 فوت پوشش وجود داشته باشد تا اثر نگهدارندگی خاك بتواند در دفع اعوجاج رو به بالا مشارکت کند؛ با این حال برای لوله های قطور تر ممکن است برای ایجاد اثر نگهدارندگی خاك، به یک قطر یا نیم قطر پوشش نیاز داشته باشند.

یکی از روش های محافظه کارانه طراحی در پوشش های کم عمق آن است که خاك را فاقد نگهدارندگی فرض کرده و لوله را با استفاده از معادلات اعوجاج مهار نشده یا اعوجاج هیدرواستاتیک طراحی کنیم. در مقابل می توان با قرار دادن یک سرپوش بتنی روی لوله، مقاومت کافی در مقابل خمش رو به بالا را ایجاد نمود و طراحی لوله را با استفاده از معادله لاشر برای اعوجاج مهار شده به انجام رسانید.

معادلات 6- 82 و 6- 83 ، فشار مجاز اعوجاج دیواره در لوله های مهار نشده را به ترتیب در لوله های DR و پروفیلی بیان می کنند.

که در آن ها:

PWU = فشار مجاز اعوجاج دیواره در لوله های مهار نشده، psi

DR = نسبت ابعادی

E = مدول الاستیک ظاهری ماده سازنده لوله، psi

fO = فاکتور تصحیح بیضوی، شکل 6- 12

NS = ضریب ایمنی

I = گشتاور ماند دیواره لوله، in4/in

μ = نسبت پواسون

DM = میانگین قطر ( DI + 2z و یا DO – t )، اینچ

DI = قطر داخلی لوله، اینچ

z = فاصله شعاعی مرکز ثقلِ مقطع دیواره لوله تا سطح داخلی لوله، اینچ (از تولید کننده لوله اخذ کنید)

اگرچه اعوجاج سریع اتفاق می افتد، اما فشار خارجی در دراز مدت می تواند کم کم لوله را تغییر شکل داده و آن را به نقطه ناپایداری برساند. این پدیده یک رفتار ویسکوالاستیک است و برای دخیل کردن آن در معادلات 6- 82 و 6- 83 می توان از مقدار مدول الاستیک ظاهری متناسب با زمان و دما استفاده کرد. مقدار نسبت پواسون همه مواد پلی اتیلنی را برابر با 45 / 0 در نظر بگیرید.

بیضوی شدن یا خمش لوله باعث افزایش موضعی شعاع انحنای دیواره لوله می شود و بنابراین مقاومت در برابر اعوجاج را کاهش می دهد. معمولاً بیضوی شدن را بر حسب درصدی از کاهش قطر لوله بیان می کنند و یا:

که در آن:

DI = قطر داخلی لوله، اینچ

DMIN = حداقل قطر داخلی لوله، اینچ

طراح باید فشار بحرانی اعوجاج را با فشار واقعی سیستم مقایسه کرده و متناسب با کاربرد، یک فاکتور ایمنی را بر آن اعمال نماید.

استفاده از فاکتور ایمنی برابر با 5/ 2 متداول است، اما ممکن است در شرایط خاص، استفاده از فاکتور ایمنی بالاتر یا پایین تر ضرورت داشته باشد. برای حفظ محافظه کاری در لوله های قطور غوطه ور، فشار واقعی را با تعیین ارتفاع آب از کف لوله و نه از تاج لوله مشخص می کنند.

مثالی از شناورشدن در اثر آب های زیرزمینی

سطح آب مجاز روی لوله ای 10 اینچی با مشخصات DR 26 PE4710 را که در زیر پوششی 2 فوتی نصب شده است، بیابید. فرض کنید لوله در مراحل حمل، جابجایی و نصب، دچار 3% بیضوی شدگی شده است.

راه حل: از معادله 6- 82 استفاده کنید. فشار اعوجاج دیواره لوله به مدت زمان وجود سطح آب بالاتر از لوله بستگی دارد. اگر بالا بودن سطح آب در بازه زمانی طولانی ادامه دارد، باید از مقدار ضریب میرایی تنش در دراز مدت استفاده شود، اما اگر سطح آب فقط گاه و بیگاه بالا می آید، می توان مدول الاستیک کوتاه مدت تری را بکار برد.

حالت ( a). وقتی سطح آب در طولای مدت بالای لوله باقی می ماند، ضریب میرایی تنش ماده پلی اتیلنی با کد PE4710 در 50سال و در دمای 73ᵒF تقریبا برابر با 29،000 lb/in2 است. مقدار فشار مجاز دراز مدت یا PWU با در نظر گرفتن بیضوی شدگی fϕ) %3برابر با 76 / 0) و فاکتور ایمنی 5/ 2 به 1 برابر است با:

حالت ( b). وقتی بالا آمدن سطح آب بصورت گاه و بیگاه اتفاق می افتد و معمولاً چند روز تا یک هفته و در همین حدود طول می کشد. با این حال سطح آب زیرزمینی ممکن است تا چندین هفته بعد از بالا آمدن، همچنان بالا بماند. از مقدار مدول الاستیک 1000ساعته برای تخمین مدت زمان بالا آمدن آب استفاده شده است.