Ekspertyzy konstrukcyjne przewodów wodociągowych podstawą doboru optymalnych technik ich bezwykopowej odnowy Dokonano analizy kryterium statyczno-wytrzymałościowego stosowanego w ocenie stanu technicznego przewodów wodociągowych. Wskazano na najczęściej popełniane błędy przy dokonywaniu oceny bezpieczeństwa konstrukcji przewodów wodociągowych. Podano propozycje podziału eksploatowanych przewodów wodociągowych dla kryterium statyczno-wytrzymałościowego przydatną dla doboru bezwykopowych technik odnowy. Podano cel i zakres ekspertyz konstrukcyjnych przewodów wodociągowych. 1. Wstęp Trwałość materiałów stosowanych w rurach wodociągowych oraz ich połączeń jest ograniczona w czasie i zależna od wielu czynników oddziałujących na nie w trakcie eksploatacji. Odnowa lub wymiana przewodów wodociągowych jest zatem konieczna. Podstawowymi celami odnowy jest zagwarantowanie ciągłego dostarczania odbiorcom wody o wymaganej jakości, redukcja kosztów związanych ze stratami wody i kosztów przesyłu wody. Aktualnie znanych jest szereg bezwykopowych technik napraw, uszczelnień, renowacji i wymiany przewodów wodociągowych [4]. Aby dobrać optymalną dla danego rurociągu technikę jego odnowy, konieczne jest wykonanie ekspertyzy. Poniżej dokonano szczegółowej analizy jednego z kilku kryteriów doboru bezwykopowych technik odnowy przewodów wodociągowych, kryterium statyczno-wytrzymałościowego, związanego bezpośrednio z bezpieczeństwem konstrukcyjnym rurociągów. 2. Kryterium statyczno-wytrzymałościowe w ocenie stanu technicznego przewodów wodociągowych Kryterium statyczno-wytrzymałościowe związane jest bezpośrednio z nośnością oraz współczynnikiem bezpieczeństwa konstrukcji rurowej. Czynnikami mającymi wpływ na dokonanie oceny stanu technicznego przewodów wodociągowych wg kryterium statyczno- -wytrzymałościowego są; Parametry wytrzymałościowe materiału konstrukcyjnego rur. Parametry geometryczne rur, w tym głównie grubość nieskorodowanej części nośnej powłoki rury, a także ewentualne różnice w grubości powłoki na jej obwodzie, czy niezachowanie kołowego przekroju poprzecznego rury. Wartość maksymalnego ciśnienia wewnętrznego transportowanej wody oraz możliwość występowania uderzeń hydraulicznych. Wartości obciążeń zewnętrznych od otoczenia gruntowo- -wodnego i od taboru samochodowego oraz warunki wbudowa- a) b) Rys. 1. Obciążenia pionowe rurociągu o konstrukcji sztywnej: a) bezpośrednio po zasypaniu go gruntem b) dawno ułożonego w gruncie po zaistnieniu zmian reologicznych w gruncie Andrzej Kuliczkowski Politechnika Świętokrzyska 54 Inżynieria Bezwykopowa listopad 2004
nia rur, uwzględniające rodzaj podłoża, kąt posadowienia rurociągu na podłożu, parametry zagęszczenia gruntu itp. Poza wymienionymi czynnikami mającymi podstawowy wpływ na bezpieczeństwo konstrukcyjne przewodów wodociągowych należy także uwzględniać inne, w tym m.in.: Zmiany poziomu zwierciadła wody gruntowej powodujące wysuszanie gruntu. Zmiany obciążeń zewnętrznych wywołane np. poszerzeniem nawierzchni ulicznej w obszar nad rurociągiem znajdującym się wcześniej poza nawierzchnią uliczną. Zmiany rodzaju nawierzchni nad rurociągiem, np. z przepuszczalnej na nieprzepuszczalną, powodujące przesuszenie gruntu pod nawierzchnią. W wysuszonym gruncie spoistym zachodzi zjawisko skurczu, powodujące wystąpienie dodatkowych naprężeń zginających w rurociągu. Przebudowę nawierzchni ulicznej na nową, powodującą okresowe przeciążenia rurociągu ciężkimi pojazdami drogowymi, z uwagi na niewystępowanie w tym czasie odciążającego oddziaływania nawierzchni ulicznej. Zmiany obciążeń rurociągu wywołane budową lub przebudową innych przewodów ułożonych w sąsiedztwie przewodu wodociągowego. Oddziaływanie obciążeń od sąsiednich budowli w przypadku ułożenia rurociągu w pobliżu fundamentów tych budowli. Wzrost naprężeń w rurociągu od przemarzającego otoczenia gruntowo-wodnego w przypadku przemarzania przewodów ułożonych poniżej zwierciadła wody gruntowej [2,3]. Wpływ dodatkowych obciążeń użytkowych od taboru samochodowego bardziej dynamicznie (niż zakłada się to w projekcie) przekazywanych na rurociąg w sytuacji występowania nierówności nawierzchni. Z [5] wynika, iż w przypadku nierówności nawierzchni rzędu np. 5 cm współczynnik dynamiczny wzrasta do wartości około 2.1. W obliczeniach najczęściej przyjmuje się wartość współczynnika dynamicznego równą 1,2; 1,4; lub 1,5. Kryterium statyczno-wytrzymałościowe jest tylko jednym z kryteriów mających wpływ na dobór optymalnych technik odnowy przewodów wodociągowych. Spośród pozostałych należy uwzględniać kryterium hydrauliczne, kryterium szczelności w zakresie ilości strat wody, kryterium higieniczne w zakresie jakości wody oraz szkodliwości materiałów rurowych (ołów, lub niedopuszczony w niektórych krajach do stosowania PVC), a także inne czynniki takie jak występowanie prądów błądzących, zewnętrznych czynników korozyjnych, szkodliwego działania korzeni drzew itp. 3. Niektóre błędy popełniane przy dokonywaniu oceny bezpieczeństwa konstrukcyjnego przewodów wodociągowych 3.1. Przyjmowanie do obliczeń niewłaściwych schematów obciążeń rury od ciężaru gruntu Częstym błędem jest przyjmowanie do obliczania obciążeń od ciężaru gruntu według schematu obciążeń pokazanego na rys. 1a. Tak niekorzystne dla konstrukcji rurowej obciążenia występują tylko bezpośrednio po zasypaniu rurociągu gruntem. Wraz z upływem czasu (od momentu przekazania rurociągu do eksploatacji do momentu wykonywania ekspertyzy konstrukcyjnej) obciążenia zmieniają się na bardziej korzystne dla konstrukcji rury i winny być przyjmowane w przypadku rur o konstrukcji sztywnej, wg schematu pokazanego na rys. 1b. Często spotykanym błędem jest także zestawianie obciążeń konstrukcji rurowej według wcześniej stosowanych bardzo niedokładnych metod. Poprawne metody opisane są m.in. w [1,5,9]. Błędem jest także zalecane w dawniej stosowanych metodach pomijanie oddziaływania parcia bocznego na konstrukcję rurową. 3.2. Nieuwzględnianie wpływu kilku istotnych czynników mających wpływ na wartość obciążeń użytkowych od taboru samochodowego Często przyjmowane są do obliczeń niewłaściwe wartości obciążeń użytkowych od taboru samochodowego. Skrajnie błędne w tym zakresie jest np. zalecenie stosowanej także w Polsce do projektowania rur z tworzyw sztucznych tzw. metody skandy- Rys. 2. Obciążenia użytkowe od samochodu o ciężarze 300kN dla nadsypki gruntu 0,5 h 1,5m [1,5,9]. Inżynieria Bezwykopowa listopad 2004 55
nawskiej, poddane krytyce m.in. w [6]. W metodzie tej zaleca się odczytywanie obciążenia z wykresu nie uwzględniającego ciężaru pojazdów samochodowych, średnicy rurociągu oraz rodzaju gruntu, a uwzględniającego tylko wielkość zagłębienia rurociągu w gruncie. Wpływy te uwzględnione zostały w metodzie KA-17 opracowanej przez autora tej publikacji i w opracowanych przez niego krzywych obciążeń użytkowych w gruncie opublikowanych m.in. w [1,5,9]. Przykładowo na rys. 2 pokazano te krzywe dla obciążeń od samochodu o ciężarze 300 kn dla nadsypki gruntu wynoszącej od 0,5-1,5 m. 3.3. Przyjmowanie niewłaściwych wartości współczynnika dynamicznego Współczynnik dynamiczny uwzględnia fakt dynamicznego przekazywania obciążeń użytkowych w ośrodku gruntowym od taboru samochodowego. W zakresie przyjmowania wartości tego współczynnika istnieje wiele istotnie różniących się propozycji. Rozpowszechniony przez polską normę wzór zacytowany m.in. w [1] na obliczanie współczynnika dynamicznego dotyczy zagłębień do l,0 m. Powyżej l,0 m polska norma zaleca przyjmowanie wartości współczynnika dynamicznego równą 1,0. Wspomniana wcześniej metoda skandynawska zaleca przyjmować wartość współczynnika dynamicznego równą 1,75, przy czym wartość ta zmniejsza się ze wzrostem głębokości osiągając wartość 1,0 dla głębokości 6,0m. Oba powyższe zalecenia są niezgodne z prawami fizyki, ponieważ wartość współczynnika dynamicznego nie jest funkcją zagłębienia w gruncie. Wartości współczynników dynamicznych niezależnych od zagłębienia podane są m.in. w normie szwajcarskiej SIA 190 i wytycznych niemieckich ATV A-127. Wg normy szwajcarskiej należy przyjmować do obliczeń współczynnik dynamiczny równy 1,3. Rys. 3. Zależność współczynnika odciążającego f n od ilorazów [1,5,9]. Wytyczne niemieckie uzależniają wartość współczynnika dynamicznego od ciężaru pojazdów, zalecając przyjmować go 1,2 dla pojazdów ciężkich, 1,4 dla pojazdów o średnim ciężarze i 1,5 dla pojazdów lekkich. Zacytowane w [1] badania poligonowe współczynnika dynamicznego wykonane we Francji potwierdzają w większym stopniu zalecenia wytycznych niemieckich, gdyż współczynnik dynamiczny istotnie zależy od ciężaru pojazdu i prędkości jego poruszania się. 3.4. Nieuwzględnianie odciążającego oddziaływania nawierzchni ulicznej Obciążenia użytkowe od taboru samochodowego są przekazywane na konstrukcję rurociągu najpierw poprzez nawierzchnię uliczną, a następnie ośrodek gruntowy. W zależności od rodzaju konstrukcji nawierzchni mniejsza lub większa część obciążeń użytkowych od taboru samochodowego przejmowana jest przez nawierzchnię, a pozostała część przekazywana jest przez grunt na konstrukcję rurową. Współczynnik odciążający może być odczytany z wykresu podanego na rys. 3. Wartość współczynnika odciążającego f n określa jaka część obciążeń użytkowych przekazywana jest na konstrukcję rurową. Współczynnik sprężystości E n odczytywany jest z [1] i zmienia się od ok. 50-200 MPa dla nawierzchni gruntowych ulepszonych, aż do ok. 15000 MPa dla najbardziej sztywnych nawierzchni ulepszonych wykonanych z betonu. Moduł odkształcenia gruntu E m przyjmowany jest dla wskaźnika zagęszczenia gruntu I s = 100% i może wynosić w zależności od rodzaju gruntu od 10 do 40 MPa. Parametr a s oblicza się ze wzoru: gdzie: s p i d p szerokość i długość powierzchni styku koła z nawierzchnią dla danego pojazdu [m] Przykładowo dla samochodu o ciężarze 300 kn s p = 0,6m a d p = 0,2 m. Wartość g n oznacza grubość konstrukcji nawierzchni ulicznej. Jak widać z rys. 3. w przypadku np. nawierzchni betonowych o wysokiej wartości współczynnika sprężystości E n współczynniki odciążające f n mogą osiągać wartości nawet niższe od 0,1 co oznacza że ponad 90% obciążeń użytkowych od taboru samochodowego może być przejmowanych przez konstrukcję nawierzchni ulicznej. Nieuwzględnianie zatem odciążającego oddziaływania nawierzchni ulicznej w przypadku analizy nośności rurociągów ułożonych pod nawierzchniami ulicznymi może prowadzić do znaczącego zawyżenia tych obciążeń. 3.5. Nieuwzględnianie mimośrodowego ściskania konstrukcji rurowej przy jej wymiarowaniu Przekroje poprzeczne ścian konstrukcji rurowej poddane są wskutek istnienia obciążeń zewnętrznych oddziaływaniu momentów zginających i osiowych sił ściskających. Efektem działania momentów zginających są naprężenia rozciągające i ściskające pokazane na rys. 4. Z kolei efektem oddziaływania osiowej siły ściskającej są równomierne rozłożone na całej grubości ścianki naprężenia ściskające σ s (rys. 4). Po dodaniu do siebie obu tych naprężeń, tj. od zginania i od osiowego ściskania, uzyskano końcowy wykres naprężeń pokazany na rys. 4 typowy dla mimośrodowego ściskania konstrukcji. 56 Inżynieria Bezwykopowa listopad 2004
w wierzchołku rury 3,8 N/mm 2 (naprężenia rozciągające), w boku rury 3,1 N/mm 2 (naprężenia ściskające), w dnie rury 5,2 N/mm 2 (naprężenia rozciągające). Naprężenia rozciągające od ciśnienia wody 6 at (0,6 N/mm 2 ) wynoszą na całym obwodzie ścianki rury 5,04 N/mm 2. Wartość ta jest zbliżona do wartości naprężeń rozciągających w dnie rury pochodzących od obciążeń zewnętrznych. Rys. 4. Naprężenia kolejno od zginania i osiowego ściskania przekroju poprzecznego rury oraz łączna ich suma. Naprężenia takie występują w przekrojach konstrukcji rurowej przed wypełnieniem jej wodą i przekazaniem do eksploatacji. W obliczeniach często pomijane są naprężenia ściskające wywołane osiową siłą podłużną, co prowadzi do przewymiarowania lub niedowymiarowania (w zależności od rodzaju zastosowanego materiału) konstrukcji rurowej. Gdy rurociąg transportuje wodę, w ściankach rury, w których występują wcześniej naprężenia pokazane na rys. 4, pojawiają się dodatkowo osiowe naprężenia rozciągające wywołane ciśnieniem wewnętrznym wody. Zatem w przypadku analizy naprężeń w rurze transportującej wodę należy je dodać do sumarycznych naprężeń pokazanych na rys. 4. Interesujące są proporcje naprężeń wywołane czynnikami zewnętrznymi do wywołanych ciśnieniem wody. Obliczając je wg toku obliczeń podanego w [1, 5, 9] uzyskuje się np. dla rury PE-HD o średnicy nominalnej 600 mm (zewnętrznej 630 mm), grubości ścianki s=35,7mm (rura z PE 63 o PN6 i SDR 17,6) i nadsypki gruntu wynoszącej 3 m następujące wartości naprężeń: 4. Propozycja podziału eksploatowanych przewodów wodociągowych wg kryterium statyczno-wytrzymałościowego przydatna dla dobru bezwykopowych technik ich odnowy Autor proponuje podział eksploatowanych przewodów wodociągowych wg kryterium statyczno-wytrzymałościowego na 3 klasy: klasa K1 zawierająca rurociągi nie wymagające wzmocnienia konstrukcyjnego, klasa K2 zawierająca rurociągi wymagające wzmocnienia konstrukcyjnego, klasa K3 zawierająca rurociągi nie spełniające wymogu nośności, które należy zastąpić nowymi. Każdej z wymienionych klas, ustalanych w wyniku realizacji ekspertyzy konstrukcyjnej rurociągu, przyporządkowane są określone techniki odnowy przewodów wodociągowych. W przypadku rurociągów zakwalifikowanych do klasy K1 zadaniem powłoki odnowieniowej jest np. powstrzymanie procesów korozyjnych i poprawa jakości wody, poprawa parametrów hydraulicznych rurociągu, czy np. stworzenia ze względów zdrowotnych biernej przegrody oddzielającej wodę od powłoki starego rurociągu np. wykonanego z ołowiu. W zależności od wielu czynników, w tym głównie materiału, z którego wykonany jest odnawiany rurociąg, stosuje się następujące techniki odnowy: natrysk wewnętrznej powierzchni ruro- Inżynieria Bezwykopowa listopad 2004 57
ciągu zaprawą cementową, żywicą epoksydową, żywicą poliuretanową lub wprowadzenie do odnawianego rurociągu cienkiej powłoki np. polietylenowej w technologii Subline lub cienkiej utwardzanej powłoki żywicznej, np. typu Insituform. Rurociągi zakwalifikowane do klasy K2 wymagają dla poprawnego dalszego funkcjonowania zastosowania powłok wzmacniających ich konstrukcję w celu zagwarantowania wymaganych współczynników bezpieczeństwa. Do odnowy rurociągów zakwalifikowanych do klasy K2 stosuje się głównie cienkościenne powłoki typu Subline, cienkie powłoki żywiczne lub inne techniki powłokowe, o grubości powłok wynikającej z przeprowadzonych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych. Do klasy K3 kwalifikowane są przewody wodociągowe, które ze względów wytrzymałościowych winny być zastąpione nowymi. Do odnowy tych rurociągów stosuje się techniki renowacji ciasnopasowane typu U-Liner, Swage-Lining lub Roll-Down, utwardzane powłoki żywiczne, techniki renowacji nieciasopasowane typu krótki i długi Relining lub techniki wymiany rurociągów z możliwością powiększenia istniejącego przekroju typu Berstlining [4]. Alternatywą może być także wymiana przewodu na nowy wykonana w wykopie. Należy pamiętać, że o doborze wyżej wymienionych metod nie decyduje wyłącznie kryterium statyczno-wytrzymałościowe, ale także inne, np. kryterium hydrauliczne, które w przypadku rurociągów zakwalifikowanych do klasy K3 umożliwia rozstrzygnięcie czy można zmniejszyć lub należy zmniejszyć przekrój poprzeczny rurociągu (wtedy można lub należy zastosować techniki nieciasnopasowane) czy nie można (wtedy zalecane są techniki ciasnopasowane). W przypadku, gdy przekrój poprzeczny rurociągu jest niewystarczający, należy go wymienić na nowy w wykopie lub bezwykopowo techniką Berstlining. Dotychczas wymienione techniki odnowy zalicza się do tzw. technik liniowych. W przypadku, gdy obserwuje się w rurociągu uszkodzenia lokalne, rzadko występujące, których przyczyną powstania nie była utrata jego nośności na całej długości, do odnowy stosuje się tzw. techniki punktowe, polegające np. na wykonaniu uszczelnień lub wzmocnień konstrukcji rury za pomocą sztywnych opasek stalowych montowanych na zewnętrznym obwodzie rury [8]. 5. Cel i zakres ekspertyzy konstrukcyjnej przewodu wodociągowego Celem ekspertyzy konstrukcyjnej przewodu wodociągowego jest dokonanie oceny jego stanu technicznego, w tym głównie nośności oraz ustalenie wartości współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji rurociągu. Umożliwia to zakwalifikowanie przedmiotowego rurociągu do jednej z klas nośności K1, K2, K3, co następnie umożliwia dobór optymalnej techniki jego odnowy, w tym m.in. rodzaju powłoki materiałowej o określonym rozwiązaniu materiałowo-konstrukcyjnym i określonej nośności. Zakres wykonywanej ekspertyzy konstrukcyjnej przewodu wodociągowego bywa zróżnicowany i zależy od specyfiki analizowanego rurociągu, w tym m.in. rodzaju materiału rurociągu, sposobu połączeń rur, warunków jego wbudowania, głębokości posadowienia, rodzaju i wielkości obciążeń, w tym obciążeń użytkowych, parametrów gruntowo-wodnych i specyfiki czynników korozyjnych zewnątrz- i wewnątrzrurowych, jakości i temperatury transportowanej wody, parametrów hydraulicznych, w tym m.in. zmian ciśnienia transportowanej wody, występowania uderzeń hydraulicznych, czasookresu eksploatacji rurociągu i innych specyficznych dla danego rurociągu parametrów. Przykładowy zakres ekspertyzy konstrukcyjnej przewodu wodociągowego w opcji poszerzonej uwzględniającej także inne kryteria może być następujący: 1. Zapoznanie się z projektem rurociągu, statystyką uszkodzeń, specyfiką i problemami eksploatacyjnymi, umożliwiające przygotowanie szczegółowego programu ekspertyzy. 2. Wizja lokalna rurociągu połączona z badaniami konstrukcji rurociągu (materiałowe, geometryczne, ew. wytrzymałościowe) i jego otoczenia gruntowo-wodnego realizowana w odkrywce. Istotna jest także ocena wnętrza rurociągu połączona z jego badaniem techniką video. W niektórych przypadkach badanie rurociągu techniką video wskazuje na występowanie czynników uniemożliwiających np. zastosowanie do odnowy rurociągu technik ciasnopasowanych. 3. Wykonanie obliczeń statyczno-wytrzymałościowych oraz dokonanie oceny nośności rurociągu i współczynnika bezpieczeństwa, a następnie dobór jednej z trzech klas K1, K2, K3 technik odnowy rurociągu dla kryterium statyczno-wytrzymałościowego. 4. Analiza innych kryteriów uwzględniających m.in. parametry hydrauliczne rurociągu, jakość i temperaturę wody oraz szczelność rurociągu. Analiza ta może spowodować konieczność wyeliminowania pewnych technik odnowy, np. jakość wody, w tym m.in. zawartość siarczanów, agresywnego CO2, pojemność kwasowa, mają wpływ na decyzję o możliwości zastosowania techniki cementowania przewodu wodociągowego. 5. Dobór jednej optymalnej lub kilku alternatywnych najbardziej korzystnych technik odnowy przewodu wodociągowego o różnych prognozowanych okresach trwałości rurociągu po odnowie. 6. Wniosek końcowy Kryterium statyczno-wytrzymałościowe uwzględniające szereg czynników materiałowych, konstrukcyjnych oraz zewnątrz- i wewnątrzrurowych decydujących o bezpieczeństwie konstrukcji przewodu wodociągowego jest podstawowym kryterium oceny stanu technicznego rurociągu. Ekspertyza konstrukcyjna przewodu wodociągowego umożliwia ocenę jego stanu technicznego, w tym głównie nośności i współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji rurowej, co stanowi następnie podstawę do doboru optymalnej techniki jego odnowy. Literatura [1] Kuliczkowski A.: Obliczanie konstrukcji przewodów wodociągowych i kanalizacyjnych ułożonych w gruncie, skrypt nr 161, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 1988 [2] Kuliczkowski A.: Ustalanie zagłębienia wiejskich przewodów wodociągowych uwagi krytyczne, Gospodarka Wodna, 1990, nr 9, s. 213-215 [3] Kuliczkowski A.: Uwagi krytyczne dotyczące ustalania zagłębienia wiejskich przewodów wodociągowych. Materiały konferencyjne: Zaopatrzenie w wodę miast i wsi, PZITS, Politechnika Poznańska, Poznań 1996 [4] Kuliczkowski A.: Problemy bezodkrywkowej odnowy przewodów kanalizacyjnych, monografia Politechniki Świętokrzyskiej, nr 13, Kielce 1998, s. 245 [5] Kuliczkowski A.: Projektowanie konstrukcji przewodów kanalizacyjnych, skrypt nr 356, Kielce 2000, s. 290 [6] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E.: Obciążenia użytkowe przewodów kanalizacyjnych od taboru samochodowego, Informacja Instal, 2000, nr 5, s. 38-41 [7] Kuliczkowski A.: Rury kanalizacyjne t. I. Własności materiałowe, monografia nr 28, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2001, s. 261 [8] Kuliczkowska E.: Lokalne uszczelnienia, naprawy i renowacje nieprzełazowych kanałów sztywnymi powłokami, Instal, 2003, nr 4, s. 16-19, 29 [9] Kuliczkowski A.: Rury kanalizacyjne t. II. Projektowanie konstrukcyjne, monografia w druku (planowany termin ukazania się czerwiec 2004r.), Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2004 58 Inżynieria Bezwykopowa listopad 2004