Определение нагрузок на подземные трубопроводы

Расчет стальных труб наружных сетей водоснабжения и водоотведения.

Нормативные и расчётные нагрузки от давления грунта и грунтовой воды

Покажем схемы нагрузок:

Схемы нагрузок от давления грунта и грунтовой воды

Схемы нагрузок от давления грунта и грунтовой воды

Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки на единицу длины трубопровода от давления грунта Gn [кН/м] определяется по формулам:

2015-05-02 12-30-24 Скриншот экрана

В этих формулах обозначено:

h – глубина заложения до верха трубы [м],

de – наружный диаметр трубопровода [м],

γn – нормативное значение удельного веса грунта засыпки , принимаемое по таблице.

Нормативная плотность, удельный вес, модуль деформации грунтов засыпки

Нормативная плотность, удельный вес, модуль деформации грунтов засыпки

b – ширина траншеи на уровне верха трубы [м];

α1— коэффициент, зависящий от отношения  и от веса грунта засыпки, принимаемый по таблице;

Коэффициент α1 для грунтов засыпки

2015-05-02 12-51-50 Скриншот экрана

bm– ширина траншеи на уровне середины расстояния между поверхностью земли и верха трубы [м];

b0 – ширина прорези [м];

ψ – коэффициент, учитывающий разгрузку трубы грунтом, находящимся в пазухах между стенками траншеи и трубопроводом, определяемый по формуле:

2015-05-02 12-40-34 Скриншот экрана

причем, если эта величина окажется меньше de/ b, то в формуле (2) принимается Ψ = de/ b

В=0,125Е – параметр, характеризующий жёсткость грунта засыпки [МПа];

Вt – параметр, характеризующий жёсткость трубопровода [МПа], определяемый формулой:2015-05-02 12-49-15 Скриншот экрана

Е – модуль деформации грунта засыпки [МПа],

Еа, ν – модуль упругости и коэффициент Пуассона материала трубопровода,

t – толщина стенки трубопровода [м],

dm – средний диаметр поперечного сечения трубы [м],

kdе – часть вертикального наружного диаметра трубопровода, находящегося выше плоскости основания [м];

α2 – коэффициент, зависящий от вида грунта основания и от способа опирания трубопровода, определяемый:

— для жёстких труб (кроме стальных, полиэтиленовых и упругих гибких труб) при отношении h/de ≥2,5 – по таблице , при 0,5≤ h/de<2,5 в формуле (2) вместо α2 подставляется величина α21, определяемая формулой (6), причём величина α2, входящая в эту формулу, определяется по таблице, при h/de<0,5 принимается α21=1;2015-05-02 12-56-54 Скриншот экрана

Коэффициент α2 в зависимости от грунта основания
2015-05-02 13-01-40 Скриншот экрана
2015-05-02 13-04-50 Скриншот экрана

   Примечание При устройстве под трубопроводом свайного основания                 принимается α2=1,6 независимо от вида грунта основания.

— для гибких труб α2 определяется по формуле (7), причём, если окажется, что Вt ≤ В, то в формуле (2) принимается α2=1:

2015-05-02 13-07-41 Скриншот экрана

α3  –  коэффициент, принимаемый в зависимости от величины отношения h0/de, где h0 – величина заглубления в прорезь верха трубопровода:2015-05-02 13-19-53 Скриншот экрана

 

Определение расчетных нагрузок

Расчётные вертикальные нагрузки от давления грунта получаются умножением нормативных нагрузок на коэффициент надёжности по нагрузке γf=1,15.

Равнодействующая нормативной горизонтальной нагрузки Ghn [кН/м3] по всей высоте трубопровода от бокового давления грунта с каждой стороны определяется по формулам:

2015-05-02 13-23-19 Скриншот экрана

где λ1, λ2 – коэффициенты, принимаемые по таблице "Коэффициенты λ1, λ2,η для расчета трубопроводов":

2015-05-02 13-25-50 Скриншот экрана

 

— при укладке в прорези боковое давление грунта не учитывается.

Расчетные горизонтальные нагрузки от давления грунта получаются умножением нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке γf=0,9.

Для всех грунтов, кроме глин, при заложении трубопроводов ниже постоянного уровня грунтовых вод следует учитывать уменьшение удельного веса грунта, расположенного ниже этого уровня. Кроме того, отдельно учитывается давление грунтовых вод на трубопровод.

Нормативное значение удельного веса взвешенного в воде грунта γswn [кН/м3] определяется по формуле:

2015-05-02 13-30-47 Скриншот экрана где:∈ — коэффициент пористости грунта.

Нагрузки от давления грунтовой воды

Нормативное давление грунтовой воды на трубопровод определяется в виде двух составляющих. Это:

равномерная нагрузка рw[кН/м2], равная напору под трубой

    рw=9,8hw;                                                                                          (11)

неравномерная нагрузка qwn  [кН/м2], которая у лотка трубы вычисляется по формуле:

 qwn=9,8de.                                                                                          (12)

Равнодействующая этой нагрузки Gwn[кН/м], направлена вверх и равняется

     Gwn=7,7de2                                                                                         (13)

где: hw  — высота столба грунтовой воды над верхом трубопровода [м].

Расчетные нагрузки от давления грунтовой воды получаются умножением нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке, который принимается равным:

 γf= 1,1 – для равномерной части нагрузки и при расчёте на всплытие для неравномерной части,

γf= 0,9 – при расчёте на прочность и деформацию для неравномерной части нагрузки.

Нормативные и расчётные нагрузки от воздействия транспортных средств и равномерно распределённой нагрузки на поверхности засыпки

Временные нагрузки от подвижных транспортных средств следует принимать:

— для трубопроводов под автомобильными дорогами: нагрузку от колонн автомобилей Н-30 или колёсную нагрузку НК-80 (по большему силовому воздействию на трубопровод),

— для трубопроводов в местах с нерегулярным движением автотранспорта: нагрузку от колонны автомобилей Н-18  или от гусеничного транспорта НГ-60 (по большему воздействию),

— в местах, где движение автотранспорта невозможно: равномерно распределённую нагрузку интенсивностью 5 кН/м2,

— под железнодорожными путями: нагрузки от подвижного состава К-14 или другую, соответствующую классу данной ж/д линии.

Равнодействующие нормативной вертикальной и горизонтальной нагрузок Vn и Vhn [кН/м] на трубопровод от автомобильного и гусеничного транспорта определяют по формулам:

2015-05-02 14-27-52 Скриншот экрана

где μ – динамический коэффициент подвижной нагрузки, зависит от высоты h засыпки вместе с покрытием:2015-05-02 14-30-31 Скриншот экрана

νn – нормативное равномерное давление [кН/м2], принимаемое по таблице "Нормативное равномерно распределённое давление νn от транспортных нагрузок« в зависимости от приведённой глубины заложения:2015-05-02 14-33-29 Скриншот экрана

где: hsup – толщине слоя покрытия [м],

  Еsup – модуль деформации покрытия (дорожной одежды) [МПа].

Расчётные нагрузки получаются умножением нормативных на коэффициенты надёжности по нагрузке  γf:

— для вертикального давления нагрузок Н–30, Н-18 и Н-10   γf=1,2,

— для вертикального давления нагрузок НК-80 и НГ-60 и горизонтального давления всех нагрузок  γf=1.

Нормативные нагрузки от ж/д транспорта:2015-05-02 14-38-40 Скриншот экрана

νn – давление от нагрузки К-14 (по таблице „Нормативное равномерно распределённое давление νn от транспортных нагрузок“).

Коэффициенты надёжности здесь:

для вертикального давления γf=1,3;

— для горизонтального давления γf=1,2.

От действия равномерно распределенной нагрузки интенсивностью νаn [kH/м2] равнодействующие нормативные нагрузки:

2015-05-02 14-42-04 Скриншот экрана

Коэффициенты надежности:

— для вертикального давления γf=1,4;

— для горизонтального давления γf=1,0.

 

Нормативные и расчетные нагрузки от собственного веса труб и веса транспортируемой жидкости

Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки от собственного веса трубопровода:

2015-05-02 14-45-45 Скриншот экрана

где:   π=3,14,

di –внутренний диаметр [м],

de– внешний диаметр [м],

t – толщина стенки трубы [м],

γmn—  нормативное значение удельного веса материала трубы [kH/м3].

Для получения расчетной нагрузки нормативная нагрузка умножается на γf=1,1.

Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки от веса  жидкости:2015-05-02 14-48-45 Скриншот экрана

где: γmn – нормативное значение удельного веса жидкости [kH/м3];

             — для воды пресной   9,8;

             — для воды морской  10,1;

             — для сточной жидкости 10,4;

             — для пульпы  14,7.

Опорные реакции и эквивалентные приведенные нагрузки

Направление опорных реакций трубопровода, укладываемого на грунтовое основание, принимается вертикальным, а распределение — равномерным по всей ширине опорной поверхности, определяемой углом охвата трубопровода.

Нормативная интенсивность опорной реакции основания:2015-05-02 14-53-10 Скриншот экрана

При укладке трубопровода на грунтовое основание 2α=30˚.

 

Направление опорных реакций трубопровода, укладываемого на бетонный фундамент, принимается нормальным к поверхности трубопровода, а распределение – равномерным про всей поверхности касания.

Расчет трубопроводов следует вести по приведенным нагрузкам:2015-05-02 14-55-00 Скриншот экрана

где: Fred - расчетная приведенная внешняя нагрузка, которая представляет собой вертикальные нагрузки, приложенные вдоль верхней и нижней образующих трубы по направлению к ее оси и эквивалентные по максимальному изгибающему моменту действию фактических нагрузок,

∑ (G + V) — равнодействующая расчетной вертикальной нагрузки, определенная для всех учитываемых в расчете видов нагрузки ,

β – коэффициент приведения,

Коэффициент приведения β для нагрузок2015-05-02 14-59-46 Скриншот экрана

η – коэффициент бокового давления (табл.»Коэффициенты λ1, λ2, η для расчета трубопроводов")