اعوجاج دیواره لوله های مهار شده (مدفون)

تنش فشاری بیش از اندازه (یا ضربه) می تواند به ناپایداری و اعوجاج دیواره لوله منجر شود. اعوجاج ناشی از تنش فشاری با یک »فرورفتگی «1 بزرگ موضعی آغاز شده و سپس آنقدر رشد می کند تا انحنای لوله را معکوس نموده و نهایتا با فروپاشی ساختاری به پایان می رسد. مقاومت در برابر اعوجاج، متناسب با ضخامت دیواره تقسیم بر قطر که به توان خاصی رسیده است، می باشد. بنابراین، هر چقدر نسبت ابعادی کوچک تر باشد، مقاومت بیشتر خواهد بود. لوله های مدفون بدلیل نگهداشته شدن (یا مهار) توسط خاک های اطرافشان، مقاومت بیشتری در برابر اعوجاج دارند. همچنان با شرکت توسن صنعت آپادانا تولیدکننده و ارائه کننده انواع لوله های پلی اتیلن، لوله آبیاری، نوار آبیاری و لوله دریپردار همراه باشید.

در اغلب لوله های غیر فشاری و جریانات گرانشی، تنش خالص در دیواره لوله، فشاری است، بنابراین فشار اعوجاج مجاز باید محاسبه شود و با کل فشار (خاک و آب زیرزمینی) مقایسه گردد. در اکثر لوله های تحت فشار، فشار سیال در لوله بیش از فشار خارجی است و تنش خالص در دیواره لوله حالت کششی دارد. اعوجاج فقط زمانی مد نظر قرار می گیرد که درون لوله تحت فشار جریان سیال وجود نداشته باشد، مثلاً در زمان و بلافاصله بعد از ساخت و ساز خط لوله و در مدت خاموشی سیستم و گاهی در صورت وقوع نوسانات فشاری که منجر به فشار منفی موقتی در سیستم می شود. در چنین شرایطی لوله در برابر اعوجاج، سفتی بیشتری را از خود نشان می دهد زیرا مدول در بارگذاری کوتاه مدت بیشتر است. در زمان طراحی، مدولی متناسب با بازه زمانی فشارهای منفی خارجی در نظر بگیرید. در لوله هایی که تحت اثر فشار منفی ناشی از نوسانات فشاری قرار می گیرند، باید در انتخاب نسبت ابعادی دقت کرد تا استحکام لوله برای مقاومت در برابر فروپاشی 2 در حالت مهار نشده به قدری باشد که بتواند فشار منفی کامل را بدون استفاده از مهار خاک، تحمل کند. این اقدام بدلیل حصول اطمینان در برابر آثار ساخت و ساز است که منجر می شوند مواد پرکننده نتوانند تمام استحکام مورد نظر در طراحی را بوجود بیاورند.

در این فصل، 2 معادله برای محاسبه اعوجاج ارائه می شود. معادله اصلاح شده لاشر 3 برای لوله های مدفونی است که زیر سطح آب زیرزمینی نصب شده اند، تحت فشار خلأ هستند و یا با پوششی کم عمق تحت بار زنده قرار می گیرند. این نیروها حتی کوچک ترین نقص ها در دیواره لوله را تشدید می کنند و تغییر شکل به سمت داخل ایجاد می کنند. اگرچه فشار خاک به تنهایی می تواند باعث ناپایداری شود، خاک به ندرت باعث تغییر شکل لوله به سمت داخل می شود، بخصوص اگر خاک دانه ای باشد. بنابراین اعوجاج در خاک خشک فقط در کاربردهای عمیق متصور است که با معادله مور- سلیج در بخش »اعوجاج لوله ها در خاکریزهای خشک وعمیق « قابل محاسبه است.

معادله لاشر برای اعوجاج لوله های مدفون (مهار شده) زیر سطح آب زیرزمینی

از معادله لاشر می توان برای محاسبه فشار مجاز اعوجاج در لوله های مهار شده زیر سطح آب زیرزمینی که در شرایط خلأ کامل یا نیمه خلأ کار می کنند، و یا تحت بار زنده قرار می گیرند، استفاده نمود. معادلات 6- 58 و 6- 59 به ترتیب برای لوله های منطبق بر نسبت های ابعادی ( DR Pipes ) و لوله های پروفیلی هستند.

که در آن ها:

PWC = فشار اعوجاج لوله مهار شده مجاز، lb/in2

N = فاکتور ایمنی

که در آن:

R = فاکتور کاهش شناوری (بویانسی)

HGW = ارتفاع آب زیرزمینی بالای لوله، فوت

H = عمق پوشش، فوت

که در آن:

e = پایه لگاریتم طبیعی، 71828 / 2

E΄ = ضریب عکس العمل خاک، psi

E = مدول الاستیک ظاهری، psi

DR = نسبت ابعادی

I = گشتاور ماند یا ممان دوم دیواره لوله، t3/12) in4/in ، در صورتیکه ساخت و ساز تک جداره باشد)

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

اگرچه اعوجاج با سرعت بالایی اتفاق می افتد، اما فشار خارجی در دراز مدت می تواند کم کم لوله را تغییر شکل داده و به نقطه ناپایداری برساند. این پدیده یک رفتار ویسکوالاستیک است و برای دخیل کردن آن در معادلات 6- 58 و 6- 59 می توان از مقدار مدول الاستیک ظاهری متناسب با زمان و دمای بارگذاری، استفاده کرد. بعنوان مثال، لوله متناسب با مقدار مدول کوتاه مدت خود در برابر یک پدیده خلأ مقاومت می کند، در حالیکه مقاومت آن در برابر فشار پیوسته آب زیر زمینی، متناسب با مقدار مدول 50 ساله لوله است.

معادلات 6- 58 و 6- 59 برای لوله هایی که با پوشش کمتر از 4 فوت یا یک قطر کامل لوله، دفن شده اند، کاربرد محدودی دارند. طراح در چنین شرایطی می تواند از معادلات 6- 82 و 6- 83 استفاده کند.

طراح باید متناسب با کاربرد مورد نظر، یک فاکتور ایمنی را اعمال نماید. برای لوله های گرمانرم از فاکتور ایمنی برابر با 0/ 2 استفاده می شود.

فشار مجاز اعوجاج برای لوله مدفون باید با کل فشار عمودی وارد بر تاج لوله که حاصل از ترکیب بار خاک، بار آب زیرزمینی یا آب سطحی است، مقایسه شود. شرط احتیاط آن است که مقاومت اعوجاج در برابر سطح آب زیرزمینی در بازه 100 ساله مورد بررسی قرار بگیرد. در این محاسبات، کل تنش عمودی برابر با حاصل جمع منشور فشار ناشی از خاک اشباع شده و فشار سیال یا هر گونه آبی که در بالای سطح زمین وجود دارد، در نظر گرفته می شود.

در لوله های DR که در شرایط خلأ کار می کنند، متداول است که از معادله 6- 58 برای بررسی ترکیب فشار ناشی از خاک، آب زیرزمینی و خلأ استفاده شود، سپس از معادله اعوجاج لوله مهار نشده یعنی معادله 6- 82 برای تحقیق اینکه آیا لوله می تواند در شرایط خلأ و در فقدان مهار خاکی و بار خاک کار کند، استفاده می شود. این شرایط بخصوص برای زمانی که سازه برای محافظت کامل از لوله تدارک دیده نشده است، استفاده می شود. در مواقعی که بار خلأ در کوتاه مدت اعمال می شود، مثل زمانیکه که پدیده چکش آبی بوقوع می پیوندد، انجام دو محاسبه با استفاده از معادله 6- 57 ضرورت دارد. ابتدا با استفاده از مدول دراز مدت مشخص کنید که آیا لوله برای فشار خاک و آب زیرزمینی مورد نظر مناسب است یا نه؛ سپس با استفاده از مدول کوتاه مدت تعیین کنید که آیا لوله برای تحمل ترکیب فشار ناشی از آب زیر زمینی، فشار خاک و بارخلأ مناسب است یا خیر.

مثال اعوجاج لوله مدفون (مهار شده)

آیا لوله ای 36 اینچی با مشخصات SDR 26 PE4710 که زیر پوششی 18 فوتی از خاک متراکم پر کننده نصب شده است، مقاومت کافی در برابر اعوجاج، مهار شده دارد؟ فرض کنید سطح آب زیرزمینی همسطح زمین است و مقدار E΄ برابر با 1500 lb/in2 است.

راه حل: معادله 6- 58 را حل کنید. از آنجاییکه شرایط مورد نظر در این سؤال، شرایط دراز مدت هستند، مدول میرایی تنش 50 ساله برای ماده پلی اتیلنی با کد PE4710 در ضمیمه فصل 3 داده شده و برابر با 29،000 psi است. ارتفاع پوشش خاک، H، و ارتفاع آب زیر زمینی، HGW هر دو برابر با 18 فوت هستند. بنابراین فاکتور نگهدارندگی خاک، B΄ بصورت زیر بدست می آید:

و فاکتور کاهش شناوری، R برابر خواهد بود با:

معادله 6- 58 را برای محاسبه فشار مجاز اعوجاج مهار شده دراز مدت حل کنید:

 

فشار زمین و فشار آب زیرزمینی وارد شده به لوله را می توان با استفاده از معادله 6- 44 (منشور فشار) با در نظر گرفتن وزن خاک اشباع بدست آورد. وزن خاک اشباع برابر با مجموع وزن خالص آب و خاک است.

مقادیر فشار اعوجاج مهار شده را با هم مقایسه کنید. از آنجاییکه PWC بیش از PE است، لوله های با نسبت ابعادی DR 26 در برابر پیچش مهار شده لوله مقاومت کافی دارند.