5 Conducte metalice
-
Upload
madamconstantin-madalin -
Category
Documents
-
view
410 -
download
20
description
Transcript of 5 Conducte metalice
Prize si Derivatii – Note de curs 141
C a p i t o l u l 5
CONDUCTE METALICE
5.1 Alcatuire constructiva generala
Domeniul de utilizare al conductelor metalice este cel al presiunilor
mari, fiind preferate de aceea in multe situatii in locul conductelor de
beton. Conductele metalice se folosesc in amenajarile hidroenergetice,
in alimentari cu apa si canalizari, la sistemele de irigatie si drenaj.
Preferinta constructorilor pentru acest tip de conducta este motivata si de
fiabilitatea ridicata si usurinta de montare. Durata de viata insa este mai
redusa in comparatie cu cea a conductelor din beton armat din cauza
coroziunii la care sunt supuse si care poate fi incetinita dar nu si
inlaturata.
In cadrul amenajarilor hidroenergetice, domeniul predominant de
aplicare a conductelor metalice este cel al conductelor fortate.
In functie de pozitia fata de teren, conductele pot fi ingropate sau
descoperite. Ingroparea conductelor este avantajoasa prin faptul ca
umplutura de pamant asigura izolatia impotriva variatiilor de temperatura
si a inghetului. La diametre mari insa, realizarea conductei ingropate nu
mai este avantajoasa economic. Un alt dezavantaj este faptul ca
umplutura impiedica controlul comportarii conductei in timp si
ingreuneaza lucrarile de intretinere si reparatii.
142 Conducte metalice
In functie de marimea debitului conductele pot fi formate din unul
sau mai multe fire. Tendinta este de a realiza conducte cu un singur fir,
chiar la debite importante.
Traseul conductelor in profil urmareste linia de cea mai mare panta
a terenului. Adaptându-se la conditiile topografice si geologice traseul
este frânt in plan orizontal sau vertical. Conducta este alcatuita din tuburi
executate in uzina sau confectionate pe santier, si imbinate la locul de
montaj.
In punctele de frângere ale traseului, in plan vertical sau orizontal,
se prevad masive de ancoraj. Distanta intre doua masive de ancoraj este
de 150…200 m (fig 5-1).
Fig. 5-1 Profil caracteristic printr-o conducta fortata
Intre masivele de ancoraj conducta este simplu rezemata pe
suporti, dispusi la distante egale cu lungimea virolelor sau cu un multiplu
al acesteia. Aceste reazeme intermediare preiau numai incarcarile
normale pe directia conductei si le transmit terenului prin sisteme
constructive specifice. Reazemele permit deplasarile in lungul conductei
Prize si Derivatii – Note de curs 143
datorate variatiilor de temperatura. Acest lucru este posibil prin
reducerea fortelor de frecare ce apar intre conducta si reazemul
intermediar.
De obicei in aval de masivele de ancoraj sunt prevazute
compensatoare termice (mansoane de dilatatie) ce reduc solicitarile
termice la marimea maxima a fortelor de frecare ce apar intre
compensator si masivul de ancoraj. Sunt situatii in care aceste
compensatoare pot fi amplasate si la mijlocul distantei intre masive sau
in amonte de masiv.
La conductele ingropate se poate renunta la aceste
compensatoare. In acest caz eforturile longitudinale ce apar din
solicitarile termice vor fi considerate in calcul la valoarea lor integrala.
5.2 Rezemarea conductelor
Masivele de ancoraj sunt blocuri de beton in care se incastreaza
conducta la punctele de frângere ale traseului in plan sau in elevatie.
Forma si lungimea masivului rezulta din lungimea cotului
conductei. Latimea lui depinde de diametrul conductei, iar in cazul
conductelor cu mai multe fire, si de distanta dintre conducte. In aceste
situatii forma masivului de ancoraj poate rezulta mult mai complicata (fig.
5-2).
Masivele de ancoraj sunt de doua tipuri: masive de tip inchis (fig. 5-
3 a), la care conducta este complet inglobata in beton si masive de tip
deschis (fig 5-3 b), la care conducta este fixata la partea inferioara cu
ancore, dar nu este propriu-zis incastrata. Uzuale sunt masivele inchise,
desi masivele de tip deschis au avantajul ca permit accesul la conducta
pentru reparatii, vopsire si control.
144 Conducte metalice
Fig. 5-2 Masiv de ancoraj pentru conducte cu mai multe fire: a-vedere in plan a primei faze de betonare; b-sectiune in lungul conductei.
Fig. 5-3 Tipuri de masive de ancoraj: a-cu conducta inglobata in beton; b-cu conducta fixata prin ancore; 1-manson de dilatatie; 2-profil laminat; 3-armatura; 4-profil sudat
de conducta; 5-ancoraj; 6-capac de vizitare.
Prize si Derivatii – Note de curs 145
Masivul se poate executa din beton simplu sau zidarie de piatra cu
mortar de ciment daca nu este solicitat de eforturi de intindere in nici o
ipoteza de incarcare. In mod curent masivele se executa din beton
marca B100…B150. Daca apar eforturi de intindere se utilizeaza beton
armat de marca B150…B200.
Pentru o legatura intima intre conducta si masiv se prevad ancore,
din corniere sau bare din otel-beton, sudate de conducta si inglobate in
beton pe o lungime suficienta pentru a putea transmite masivului fortele
care actioneaza asupra cotului conductei. In cazul conductelor fretate
sunt necesare profile metalice speciale pe care reazema conducta
pentru a se evita transmiterea fortelor longitudinale prin frete.
Masivele de ancoraj se fundeaza pe roca. Daca terenul are o
inclinare redusa talpa fundatiei poate fi orizontala. Pe versanti masivele
au fundatia profilata in trepte. Pentru proiectarea masivelor trebuie sa se
dispuna de studii geologice care sa verifice daca exista sau nu pericolul
de pierdere a stabilitatii de ansamblu a terenului. Stabilitatea masivelor
de ancoraj conditioneaza siguranta intregului traseu al conductei fortate.
Tehnologia de executie cuprinde urmatoarele faze:
profilarea treptelor si turnarea betonului in faza I pâna la
nivelul extradosului conductei
montarea pe esafodaje metalice a conductelor in pozitia din
proiect – in aceasta faza se fac si probele de presiune si
receptia;
turnarea betonului in faza a II –a in care conducta va fi
inglobata – sunt prevazute mustati
Reazemele intermediare pot fi realizate sub forma de sei (fig. 5-4)
care sunt cel mai simplu reazem alunecator, sau cu role. Reazemele pe
sei se aplica la conducte cu diametrul pâna la 1.50 m. Alunecarea
146 Conducte metalice
conductei este facilitata printr-un sistem de ungere al suprafetelor in
contact.
Fig. 5-4 Sea de rezemare pentru conducte fretate: 1-virola; 2-freta; 3-platbanda profilata; 4-bulon de scelment; 5-masiv de beton
Fig. 5-5 Reazem cu role la conducta fortata de la U.H. Sadu V: 1-virola; 2-inel de rezemare; 3-rola; 4-beton de montaj; 5-soclu de beton; 6-captuseala de protectie a
rocii.
Prize si Derivatii – Note de curs 147
Reazemele cu role inlatura neajunsurile reazemelor alunecatoare,
eliminând aproape complet fortele de frecare. Rolele se deplaseaza pe
niste placute metalice, inglobate in constructia de beton.
Un sistem special de reazem cu role il constituie inelele (bratarile)
care se folosesc la conductele cu diametru mare si cu o grosime mica a
peretelui, acestea având si rolul de ridigizare. In figura 5-5 se prezinta
unul din reazemele intermediare ale conductei fortate de la U. H. Sadu
V.
Inelele de rezemare sunt uneori sustinute de montanti pendulari
prevazuti cu lagare cilindrice care permit deplasarea longitudinala.
Reazemele de acest tip sunt dispuse la distante mai mari decat in cazul
seilor, distanta dintre ele putand depasi 20 m.
5.2 Incarcari care actioneaza asupra conductelor
Incarcarile ce actioneaza asupra conductelor metalice pot fi
grupate astfel:
1. incarcari principale:
greutatea proprie
presiunea apei
forte de frecare
forte din variatiile de temperatura
forte datorate contractiei transversale
greutatea umpluturii
forte ce apar la schimbarile de directie
2. incarcari accidentale:
suprapresiunile dinamice
forte datorate depresiunilor din conducta la golirea acesteia
148 Conducte metalice
actiunea vântului si a zapezii
solicitari de montaj (forte remanente)
3. incarcari exceptionale:
actiunea seismica
forte produse de spargerea conductei
solicitari datorate tasarii reazemelor
Greutatea proprie se considera ca o sarcina verticala uniform
distribuita de-a lungul conductei. Prin descompunerea fortei G dupa cele
doua directii ortogonale (fig. 5-6), se obtine:
Fig. 5-6 Forte provocate de greutatea proprie
componenta normala:
αcos'1 GF = (5.1)
Prize si Derivatii – Note de curs 149
componenta axiala
αsin1 GF = (5.2)
unde α este unghiul de inclinare al conductei fata de orizontala.
Componenta normala este transmisa reazemelor intermediare prin
fortele individuale:
αcos'1 lgN = (5.3)
unde:
l’- distanta intre reazeme
g- greutatea unui metru liniar de conducta.
Asupra masivului de ancoraj din avalul unui tronson va actiona
forta:
αsinlgF = (5.4)
unde l este distanta dintre mansonul de dilatatie si axul masivului.
Presiunea apei. In cazul existentei unei vane, la inchidere, asupra
acesteia actioneaza o forta axiala egala cu:
HD
pD
F γππ
44
22
2 == (5.5)
unde:
D-diametrul conductei; H-inaltimea piezometrica
150 Conducte metalice
Daca in amonte de vana exista
un masiv de ancoraj, care nu
permite deplasarea libera a
conductei in sens axial, forta de
presiune ce actioneaza asupra
vanei va fi preluata de acest
masiv, iar in peretele conductei
vor aparea eforturi de
intindere(fig. 5-7 a )
In cotul conductei (fig. 5-8)
datorita schimbarii de directie
apar doua forte din presiunea
apei F3 si F’3. Se aplica principiul
solidificarii si se determina fortele hidrostatice care actioneaza in lungul
conductei la intrarea si iesirea ei din masivul de ancoraj:
2
22'
31
21
344
HD
FHD
F γπ
γπ
== (5.6)
Rezultanta lor este
indreptata catre convexitatea
(exteriorul) cotului.
Intr-o reductie (fig. 5-9) apare o
forta axiala din cauza schimbarii
diametrului de la valoarea D1 la
D2 cu D1 > D2. Valoarea fortei se poate exprima:
42
22
2121
4
DDHHF
−+= πγ (5.7)
Fig. 5-7 Forte longitudinale provocate de prezenta unei vane inchise: a-pe un
tronson fara manson de dilatatie; b-pe un tronson cu manson de dilatatie aval de
masiv
Fig. 5-8 Forte din presiunea apei in cotul conductei
Prize si Derivatii – Note de curs 151
Intr-un manson de dilatatie apare o forta axiala care actioneaza pe
aria inelara a tronsonului ce patrunde in manson (fig. 5-10). Expresia
fortei este:
( ) HDDF γπ 22'
54
−= (5.8)
unde:
D’ -diametrul interior al mansonului;
D -diametrul curent al conductei.
Greutatea apei din interiorul conductei se poate descompune intr-o
forta normala pe axul conductei:
αcos'6 aGF = (5.9)
si o forta axiala:
αsin6 aGF = (5.10)
Componenta normala '6F se transmite reazemelor intermediare.
Fig. 5-9 Schema pentru calculul fortei intr-o reductie: 1-linia
piezometrica; 2-axul conductei
Fig. 5-10 Notatii pentru fortele dintr-un manson de dilatatie
152 Conducte metalice
Forte de frecare. Conductele sunt supuse fortelor de frecare care apar
intre apa si conducta in mansoanele de dilatatie, intre conducta si
reazeme, intre conducta si pamântul de umplutura si intre pamantul de
deasupra conductei si cel lateral.
Frecarea intre apa si conducta apare pe conturul interior al
conductei. Rezultanta eforturilor tangentiale de frecare de pe un tronson
este dirijata in sensul curgerii si are expresia:
rhF ∆Ω= γ7 (5.11)
unde:
4
2Dπ=Ω -aria conductei;
g
v
D
lhr
2
2λ=∆ -pierderea liniara de sarcina pe tronsonul de
lungime l;
v -viteza medie de curgere;
λ -coeficientul de rezistenta,
rezulta:
g
vDP
g
v
D
lDF
2424
222
7
λγγλ
π== (5.12)
Unde P este perimetrul udat al conductei.
Frecarea in mansoanele de dilatatie apare din cauza presarii
garniturii de etansare a mansonului pe conducta (fig. 5-10 ) si are
expresia:
bDHF eµπγ=8 (5.13)
Prize si Derivatii – Note de curs 153
unde:
µ - coeficientul de frecare intre conducta si garnitura, cu valori
curente de 0,2 0,3;
De - diametrul exterior al conductei;
b - lungimea etansarii
Frecarea intre conducta si reazeme se opune deplasarilor
conductei produse de variatiile de temperatura. Expresia fortei de frecare
este data de:
( )'6
'19 FFF += µ (5.14)
unde:
µr - coeficientul de frecare intre conducta si reazem
'1F - componenta normala a greutatii conductei
'6F - componenta normala a greutatii apei
Valorile coeficientului de frecare µr depind de natura materialelor in
contact si de modul de ungere a suprafetei si anume:
– sea metalica cu ungere cu ulei gras µr = 0,12 0,15
– idem cu ungere cu grafit µr =0,19 0,20
– idem cu ungere defectuasa µr = 0,30 0,45
– idem fara ungere µr = 0,50
– pat de beton µr = 0,60 0,75
Frecarea intre conducta si pamântul de umplutura apare ca urmare a
tendintei de deplasare a conductei. Forta de frecare este data de relatia:
αµ cos10 ppGF = (5.15)
154 Conducte metalice
unde:
Gp - greutatea pamantului de deasupra conductei;
µp - coeficient de frecare intre pamant si metal egal cu 0.5 0.7.
Frecarea intre pamântul de umplutura si cel lateral apare atunci
când pamântul de deasupra conductei tinde sa fie antrenat odata cu
aceasta.
Eforturile de frecare se dezvolta in planurile verticale tangente la
conducta. Valoarea fortei este data de relatia:
aoEF µ=11 (5.16)
unde:
Ea - impingerea activa a pamântului de umplutura;
µ0 - coeficient de frecare, dependent de natura umpluturii si
anume:
pamânt afânat saturat cu apa µ0 = 0,60 0,70;
nisip uscat sau putin umed µ0 = 0,70 0,80;
pamânt afânat uscat sau putin umed µ0 = 0,80 0,90.
Fortele din variatiile de temperatura apar la conductele metalice
incastrate in masivele de ancoraj si fara manson de dilatatie intre doua
masive. Impiedicarea dilatarii, respectiv a contractiei conductei, la
variatiile de temperatura produce in peretele conductei eforturi
longitudinale. Forta care apare este data de expresia:
sDtEAF πασ ∆==12 (5.17)
unde:
Prize si Derivatii – Note de curs 155
σ - efortul unitar longitudinal (axial);
s - grosimea peretelui conductei;
∆t - variatia de temperatura;
α - coeficientul de dilatare a metalului;
E - modulul de elasticitate a metalului.
La cresteri de temperatura forta F12 produce compresiuni, iar la
scaderi de temperaturi produce intinderi.
Se recomanda ca terminarea montajului sa se faca la o
temperatura cât mai scazuta, in anotimpul rece sau in timpul noptii.
Variatia maxima de temperatura recomandata in multe tari este de 20° C
fata de temperatura de montaj.
Fortele datorate contractiei transversale (efectul lui Poisson).
Conducta sufera o alungire in plan transversal sub actiunea presiunii
interioare a apei. Ca urmare apare o contractie pe directie axiala care de
obicei este impiedicata conducând la o forta longitudinala:
iie DD
F µσπ4
22
13
−= (5.18)
unde:
De - diametrul exterior al conductei;
Di - diametrul interior al conductei;
σi - efortul inelar unitar;
µ - coeficientul lui Poisson ( pentru otel 6.3
1...
3.3
1=µ iar pentru
fonta 4
1=µ .
Forta centrifuga in coturi este dirijata dupa bisectoarea unghiului la
centru al cotului spre exteriorul curbei (fig. 5-11).
156 Conducte metalice
Expresia fortei se deduce prin teorema impulsului:
βγ
ρ cos2 2122
2114 vvvv
g
QQvF c −+== (5.19)
Daca D1 = D2 = D formula
devine:
2sin2
4
2
2
14
β
π
γ
Dg
QF = (5.20)
5.3 Calcule de rezistenta la conducte metalice
Ca urmare a solicitarilor la care este supusa conducta in pereti
apar eforturi unitare: inelare si longitudinale (axiale).
Eforturile inelare sunt produse de presiunea apei si se pot calcula
cu formula cazanelor (fig. 5-12):
Fig. 5-12 Eforturi inelare din presiunea interioara a apei
s
HDi
2
γσ = (5.21)
Fig. 5-11 Forta centrifuga intr-un cot de conducta
Prize si Derivatii – Note de curs 157
Eforturile longitudinale pot fi produse de rezultanta ΣF a fortelor
longitudinale:
Ds
Fl
πσ
∑= (5.22)
sau de fortele transversale ce actioneaza intre reazeme:
w
Ml ±='σ (5.23)
Inlocuind in relatia (5.23) modulul de rezistenta minim la
extremitatile diametrului vertical cu expresia:
42/
8/
2/
23 sD
D
sD
D
Iw
ππ===
se obtine:
2
' 4
sD
Ml
πσ ±= (5.24)
Momentul
incovoietor care
intervine in expresia
(5.24) se calculeaza
considerând conducta
ca o grinda tubulara
continuua, simplu rezemata pe reazemele intermediare (fig. 5-13).
Fig. 5-13 Schema statica a rezemarii conductei
158 Conducte metalice
Daca N este sarcina transversala uniform distribuita, rezultata din
insumarea sarcinii din greutatea proprie cu sarcina din greutatea apei din
conducta, momentul pe un reazem intermediar are valoarea
aproximativa:
10
NlM = (5.25)
iar momentul de incastrare in masivul de ancoraj este:
12
NlM = (5.26)
5.4 Calculul masivelor de ancoraj
Pentru a asigura stabilitatea traseului conductei masivul de ancoraj
trebuie sa fie stabil la alunecare si la rasturnare. De asemenea, eforturile
transmise terenului trebuie sa fie in limita eforturilor admisibile.
Dimensionarea masivului de ancoraj consta in determinarea
valorilor minime ale dimensiunilor geometrice care asigura stabilitatea la
alunecare in lungul versantului si care asigura o distributie cât mai
uniforma a eforturilor pe teren.
Geometria trebuie astfel realizata incât rezultanta tuturor
incarcarilor, atât cele transmise de conducta fortata cât si cele date de
greutatea proprie, sa cada in treimea mijlocie a suprafetei de fundare.
Prize si Derivatii – Note de curs 159
Fig. 5-14 Fortele care actioneaza asupra unui masiv de ancoraj cu mansoane de dilatatie dispuse amonte si aval: d-la dilatare; c-la contractie
Combinatia de forte cea mai defavorabila depinde de rezolvarea
constructiva a masivului. In cazul unei conducte prevazute cu mansoane
de dilatatie amonte si aval fortele ce actioneaza asupra masivului pot fi
reprezentate schematic ca
in figura 5-14.
Combinatia de forte pentru
un masiv de ancoraj
prevazut cu manson aval
la care functionarea este
normala se prezinta in
figura 5-15.
Fig. 5-15 Fortele care actioneaza asupra unui masiv
de ancoraj cu manson de dilatatie in aval: d-la dilatare; c-
la contractie
160 Conducte metalice
Gruparile uzuale de forte considerate in calcul sunt:
gruparea normala – corespunde conductei pline functionând la
debitul maxim instalat; se considera toate fortele enumerate, mai
putin cele din temperatura;
grupari extraordinare – se considera mansoanele blocate si ca
urmare se inlocuiesc fortele de frecare pe reazeme cu fortele din
variatiile de temperatura.
Fig. 5-16 Schema de calcul pentru un masiv de ancoraj in trepte
Prize si Derivatii – Note de curs 161
Datorita inclinarii versantului, suprafata de fundare a masivului se
amenajeaza in trepte (fig. 5-16). Directia generala a suprafetei,
determinata orientativ de dreapta care uneste baza treptei amonte cu
baza treptei aval, trebuie sa aiba inclinarea cât mai redusa fata de
orizontala. In cazul terenurilor stâncoase cu coeficient de frecare beton-
roca f = 0.6…0.7, pentru asigurarea unui coeficient de siguranta la
alunecare cât mai bun se aleg inclinari de 20…30°.
Conditia de stabilitate la alunecare se verifica pentru o suprafata
de alunecare paralela cu suprafata de rezemare (care face unghiul β cu
orizontala. Fortele transmise de conducta se descompun in forte
orizontale si verticale care se grupeaza apoi in ΣH si ΣV. La rândul lor
aceste sume impreuna cu greutatea proprie a masivului se descompun
in forte normale si tangentiale fata de suprafata de alunecare, rezultând
coeficientul de siguranta la alunecare:
( )[ ]( ) ββ
ββ
cossin
sincos
∑∑∑∑
++
−+=
HVG
HVGfc (5.27)
Greutatea necesara a masivului de ancoraj, pentru un coeficient de
siguranta dat c, se determina cu relatia:
( ) ( )ββ
ββββ
sincos
cossincossin
cf
VHfHVcG
−
−++=
∑∑∑∑ (5.28)
Coeficientul de siguranta se admite de obicei 1.8…2.0 pentru
gruparea incarcarilor normale si 1.3 pentru gruparea incarcarilor
extraordinare.
Pe baza greutatii se determina volumul de beton Vb al masivului.
162 Conducte metalice
Pentru calculul eforturilor pe teren se considera ca suprafata de
fundare proiectia suprafetei reale de contact pe un plan perpendicular pe
rezultanta tuturor fortelor (notata cu R in figura 5-16).
Notând cu :
B – lungimea dreptunghiului de fundare
A – aria fundatiei
e – excentricitatea rezultantei fata de centrul de greutate al
fundatie
eforturile pe teren se calculeaza cu formula compresiunii
excentrice:
±=
B
e
A
R 61σ (5.29)
Daca eforturile de compresiune depasesc eforturile admisibile pe
terenul de fundare, σad, suprafata de fundare trebuie marita. Eforturile de
intindere moderate care in anumite ipoteze de incarcare pot sa apara la
piciorul amonte, vor fi preluate cu ancore capabile sa reziste la forta
totala de intindere din zona respectiva.
In cazul in care masivul nu este simetric fata de axul conductei sau
schimbarea de directie se produce atât in plan orizontal cât si in plan
vertical se va face un calcul spatial, dupa cele trei axe.
Forma finala a masivului se obtine prin corectii iterative pâna la
satisfacerea optima a tuturor restrictiilor.