Calculul Structurilor pentru Transport Apa

DUMITREL

FURI MIRCEA EUGEN LUCIAN TEODORESCU SOROHAN

CALCULUL STRUCTURILOR

PENTRU TRANSPORTUL APEI

CONSPRESS BUCURETI

2005

Referent tiinific: Prof. Univ. Dr. ing. Valeriu Bnu Redactor responsabil i consilier editorial: Vasile Tmian Tehnoredactare computerizat: Alina Rancea, Mircea Teodorescu, Lucian Sorohan

Descrierea CTP a Bibliotecii Naionale a Romniei FURI, DUMITREL Calculul structurilor pentru transportul apei / Dumitrel Furi, Mircea Eugen Teodorescu, Lucian Sorohan. - Bucureti: Conspress, 2005 Bibliogr. ISBN 973-7797-65-5 I. Teodorescu, Mircea Eugen II. Sorohan, Lucian

Colecia Tehnic

CONSPRESS Bd. Lacul Tei 124, sector 2 Bucureti

Tel. (021) 2422719/183 Fax: +40-21-2420781

e-mail: [email protected]

Editura CONSPRESS aparine UNIVERSITII TEHNICE DE CONSTRUCII BUCURETI

3

PREFA

Dezvoltarea economico - social a localitilor, extinderea ramurilor industriale este indisolubil legat de realizarea sistemelor centralizate de alimentare cu ap i n paralel a sistemelor de canalizare a apelor uzate i meteorice, cele dou sisteme asigurnd att satisfacerea necesarului raional de ap al tuturor folosinelor precum i evacuarea n condiii igienico - sanitare corespunztoare a apelor uzate, limitnd astfel la maximum efectul activitilor omeneti n ceea ce privete deteriorarea caliti mediului nconjurtor. Transportul apei de la surs n staiile de tratare i de aici la consumator, colectarea apelor uzate i transportul lor n staiile de epurare precum i evacuarea acestora ntr-un emisar se asigur de ctre o serie de sisteme structurale ca: aduciuni, reele de distribuie a apei potabile, reele de canalizare, conducte de legtur ntre obiectele componente ale staiilor de tratare i epurare etc., care sunt n cele mai multe cazuri subansambluri hotrtoare n buna funcionare a instalaiilor industriale i urbane. Alctuirea constructiv i dimensionarea structurilor pentru transportul apei trebuie s satisfac o serie de exigene de performan care sunt determinate de condiiile tehnologice i schemele funcionale, de aciunile ce intervin n exploatarea lor, de solicitrile mari i efectele corozive n timp ale mediului de amplasare i a fluidelor transportate. Costul lucrrilor de investiii pentru realizarea i exploatarea sistemelor structurale pentru transportul apei are o pondere important n ansamblul lucrrilor de infrastructur a oraelor i industriilor i din acest motiv este necesar o analiz atent privind: alegerea amplasamentelor i stabilirea traseelor, alegerea diametrului optim, alegerea calitii materialelor n funcie de fluidele transportate i condiiile concrete de lucru ale sistemelor structurale, alegerea rezolvrilor constructive i a schemelor de calcul precum i tehnologiile de execuie - montaj. Avnd n vedere exigenele de performan ce trebuie asigurate acestei categorii de lucrri: rezisten, stabilitate, etaneitate, durabilitate precum i factorii care determin o bun comportare n timp, proiectarea i realizarea lor reprezint o problem pluridisciplinar i de optimizare a crei rezolvare necesit luarea n considerare a mai multor criterii de optimizare derivate din cerinele funcionale i structurale.

4

Prezenta lucrare trateaz problemele de calcul structural pentru sistemele ngropate de transport al apei precum: conducte realizate din diverse materiale (beton armat, oel, PVC, polietilen de nalt densitate, materiale compozite), canale colectoare avnd diferite forme ale seciunii transversale (circular, ovoid, clopot circular, clopot semieliptic), galerii casetate cu unul sau dou compartimente. n lucrare se prezint rezultatele cercetrilor proprii ale autorilor, precum i cele obinute din studiul bibliografic de specialitate cu privire la: - stabilirea categoriei de comportare a conductelor; - modelele de calcul pentru conducte rigide, semirigide i flexibile; - definirea strii de eforturi i deformaii lund n considerare mai multe modele

de interaciune structur - masiv de pmnt i diverse alctuiri structurale; - criteriile de dimensionare i verificare att pentru structuri rigide ct i pentru

structuri flexibile. Lucrarea se adreseaz n primul rnd inginerilor din cercetare, proiectare i exploatare, dar ea este util i studenilor din ultimii ani de studiu ai facultilor tehnice de profil ntruct sunt prezentate att elementele fundamentale de modelare i definire a strii de eforturi i deformaii precum i numeroase tabele i exemple de calcul necesare realizrilor practice. Autorii folosesc aceast ocazie pentru a mulumi d-lui Prof. Univ. Dr. ing. Marin Sandu i d-lui Prof. Univ. Dr. ing. Valeriu Bnu pentru colaborarea colegial i sugestiile oferite pe parcursul elaborrii lucrrii. Dorim de asemenea s mulumim companiilor: x AMIANTIT PIPE SYSTEM - SRL, n calitate de furnizor al tuburilor din

poliesteri armai cu fibr de sticl (PAFSIN), pentru schimbul de informaii cu privire la caracteristicile fizico - mecanice ale tuburilor i metodologia de ncercare a acestora.

x HIDROCONSTRUCIA SA pentru colaborarea fructuoas la execuia i reabilitarea unor lucrri n domeniu.

x BUCURETI TRAIDING, n calitate de furnizor de sisteme i materiale pentru reabilitarea lucrrilor hidroedilitare, pentru analizele efectuate n comun cu privire la comportarea n timp i soluiile de reabilitare ce pot fi aplicate la lucrrile existente.

Autorii

Cuprins

5

CUPRINS

Pag.

Capitolul 1. Elemente introductive. Noiuni fundamentale 9

1.1. Introducere 9 1.2. Caracteristicile apelor transportate n sistemele de alimentare cu ap i canalizare i influena lor asupra structurilor 11 1.3. Scheme hidraulice de funcionare a sistemelor de alimentare cu ap 12 1.4. Scheme de funcionare a sistemelor de canalizare 16 1.5. Seciuni constructive i materiale pentru realizarea sistemelor de transport al apei 18

Capitolul 2. Comportarea structurilor ngropate pentru transportul apei 21

2.1. Comportarea structurilor ngropate la aciunile din exploatarea normal 21 2.2. Comportarea structurilor ngropate la aciunea seismic 24

Capitolul 3. Aciuni i gruparea aciunilor. Calculul intensitii aciunilor 27

3.1. Caracterizarea i clasificarea aciunilor 27 3.2. Calculul intensitii aciunilor 30 3.2.1. ncrcarea din greutatea proprie 30 3.2.2. ncrcri din ap 31 3.2.2.1. Greutatea proprie a apei 31 3.2.2.2. Presiunea hidrostatic 31 3.2.2.3. Presiunea maxim hidrodinamic pH0 (lovitura de berbec) 32 3.2.2.4. Presiunea de prob 35 3.2.2.5. Modaliti de aciune a presiunii apei asupra structurilor pentru transportul apei 35 3.2.3. Presiunea vertical a pmntului de umplutur 38 3.2.3.1. Greutatea pmntului de umplutur cuprins ntre generatoarea superioar i diametrul orizontal 40 3.2.3.2. Presiunea verticala a pmntului de umplutur cuprins ntre generatoarea superioar i nivelul terenului natural 41 3.2.4. Presiunea orizontal a pmntului 47 3.2.5. ncrcri uniform repartizate la suprafaa terenului 48 3.2.6. Presiuni verticale din circulaia mijloacelor de transport 49 3.3. Aciunea variaiilor de temperatur 50 3.4. Aciunea seismic 51 3.4.1. Elemente de calcul pentru determinarea presiunilor n regim dinamic date de masivul de pmnt 53 3.4.2. Elemente de calcul pentru determinarea presiunilor hidrodinamice la structurile de transport al apei cu nivel liber 54 3.4.3. Elemente de calcul pentru determinarea efectelor micrii seismice n direcie longitudinal 57

Capitolul 4. Calculul strii de eforturi i de deformaii n conducte circulare rigide, ngropate 59

4.1. Modelul de calcul 60 4.2. Aplicarea metodei generale a eforturilor la calculul strii de eforturi n conducte rigide, ngropate 70 4.2.1. Exemplificarea aplicrii metodei generale a eforturilor la stabilirea expresiilor de calcul a eforturilor din aciunea greutii proprii, considernd conducta rezemat pe generatoarea inferioar 74 4.2.2. Exemplificarea aplicrii metodei eforturilor la stabilirea expresiilor de calcul pentru reaciunea terenului n ipoteza distribuiei radiale uniforme 76 4.2.3. Exemplificarea aplicrii metodei eforturilor la stabilirea expresiilor de calcul al eforturilor pentru conducta rezemat pe generatoarea inferioar, ncrcat cu presiunea vertical a pmntului 78 4.2.4. Expresiile eforturilor din aciunea greutii proprii considernd conducta rezemat pe un pat de fundare cu unghi la centru 2 , reaciunile de contact fiind distribuite uniform dup direcia razei 80

Calculul structurilor pentru transportul apei

6

Pag. 4.3. Sistematizarea calculului strii de eforturi n conducte circulare rigide, ngropate 82 4.3.1. Conducta rezemat pe un pat de fundare, n teren necoeziv acionat de greutatea proprie g=mh (cazul 1A) 94 4.3.2. Conducta rezemat pe un pat de fundare n teren necoeziv acionat de presiunea vertical a pmntului pV (cazul 2A) 95 4.3.3. Conducta rezemat pe un pat de fundare, n teren necoeziv, acionat de greutatea pmntului cuprins ntre cheie i diametrul orizontal (cazul 3A) 96 4.3.4. Conducta rezemat pe un pat de fundare n teren necoeziv acionat de presiunea hidrostatic la grad de umplere unu (cazul 6A) 97 4.3.5. Calculul practic al strii de eforturi. Observaii i recomandri privind alegerea adecvat a legilor de interaciune conduct - pat de fundare 98 4.4. Calculul strii de deformaii 163

Capitolul 5. Calculul strii de eforturi i de deformaii n conducte circulare semirigide i flexibile, ngropate 183

5.1. Calculul strii de eforturi i deformaii n conducte circulare semirigide i flexibile avnd la baz modelul Winkler 183 5.1.1. Ipoteze de calcul admise n modelarea interaciunii conduct - masiv de pmnt 183 5.1.2. Ecuaia diferenial de sintez care caracterizeaz interaciunea conduct - masiv de pmnt 184 5.1.2.1. Ecuaii de echilibru i relaii de echivalen 184 5.1.2.2. Ecuaii de deformaii 186 5.1.2.3. Ecuaii fizice 187 5.1.2.4. Sinteza ecuaiilor fundamentale 187 5.1.2.5. Soluia general a ecuaiei de sintez. Expresiile generale de calcul al eforturilor. Condiii la limit 189 5.1.3. Starea de eforturi i de deformaii n conducte flexibile acionate de greutatea proprie 191 5.1.4. Starea de eforturi i de deformaii n conducte flexibile acionate de presiunea vertical a pmntului 192 5.1.5. Starea de eforturi i de deformaii din aciunea presiunii hidrostatice la grad de umplere unu 193 5.1.6. Starea de eforturi i de deformaii din aciunea unei presiuni orizontale uniforme 194 5.1.7. Starea de eforturi i de deformaii din aciunea unei presiuni orizontale liniare 194 5.1.8. Starea de eforturi i de deformaii din aciunea unei presiuni interioare constante 194 5.2. Calculul strii de eforturi i de deformaii n conducte semirigide i flexibile avnd la baz modele simplificate 195 5.2.1. Modelul de calcul pentru conducte fundate pe un pat amenajat n terenuri necoezive i umpluturi compactate cu pmnturi fine necoezive (nisipuri, nisipuri cu pietri avnd 16 mm 196 5.2.2. Modelul de calcul pentru conducte fundate pe un pat amenajat, cu unghi la centru 2, n terenuri coezive i umpluturi compactate cu pmnturi fine necoezive 197 5.2.3. Modelul de calcul pentru conducte fundate pe un pat neamenajat i umpluturi n tranee compactate cu pmnturi fine necoezive 197 5.2.4. Calculul strii de eforturi i de deformaii din aciunea rspunsului pmntului de umplutur 199 5.2.5. Determinarea presiunii maxime a rspunsului pmntului de umplutur p0. Calculul strii de eforturi n gruprile fundamentale 210 5.2.6. Calculul practic al strii de eforturi n conducte semirigide i flexibile 214

Capitolul 6. Calculul strii de eforturi n galerii avnd forma seciunii transversale, dreptunghiular 215

6.1. Modelul de calcul 215 6.2. Calculul strii de eforturi 216

Capitolul 7. Calculul strii de eforturi n structura canalelor colectoare a apelor din sistemul de canalizare 223

7.1. Calculul strii de eforturi n canale cu radier monolit i bolt prefabricat 224 7.1.1. Calculul strii de eforturi n boli prefabricate 224 7.1.2. Calculul radierului monolit 252 7.1.2.1. Calculul radierelor monolite rigide 252 7.1.2.2. Calculul radierelor semirigide sau flexibile 252 7.2. Calculul strii de eforturi n canale colectoare monolite 258

Cuprins

7

Pag.

Capitolul 8. Aplicarea metodei elementelor finite la calculul strii de eforturi i deformaii la structurile de transport al apei 259

8.1. Consideraii generale 259 8.2. Ipoteze simplificatoare 260 8.3. Etape de calcul n metoda elementelor finite 261 8.3.1. Discretizarea structurii i alegerea elementelor finite 261 8.3.2. Alegerea funciilor de aproximare a cmpului de deplasri 262 8.3.3. Evaluarea matricei de rigiditate i a vectorului forelor nodale echivalente 264 8.3.4. Asamblarea proprietilor elementelor finite n vederea obinerii sistemului de ecuaii pentru structura discretizat 270 8.3.5. Calcul deplasrilor nodurilor structurii 273 8.3.6. Stabilirea strii de eforturi i de deformaii la nivelul elementului finit 274 8.4. Aspecte ale calculului practic 275

Capitolul 9. Dimensionarea i verificarea structurilor pentru transportul apei 279

9.1. Stabilirea diametrului optim 279 9.2. Dimensionarea conductelor din condiia de rezisten 280 9.3. Verificarea i dimensionarea conductelor din condiia de stabilitate 284 9.3.1. Verificarea stabilitii tuburilor cilindrice semirigide i flexibile la compresiune excentric inelar 293 9.3.2. Verificarea stabilitii tuburilor cilindrice, semirigide i flexibile, solicitate la compresiune excentric inelar i compresiune axial longitudinal 294 9.3.3. Verificarea stabilitii tuburilor cilindrice, semirigide i flexibile, solicitate la compresiune excentric inelar i compresiune excentric longitudinal 294 9.3.4. Verificarea la starea limit de deformaie a tuburilor cilindrice 295 9.4.3.1. Limitarea deformaiilor conductelor metalice 295 9.4.3.2. Limitarea deformaiilor la conductele din poliesteri armai cu fibr de sticl 295 9.3.5. Precizri suplimentare privind efectuarea verificrilor la diferite stri limit pentru tuburile flexibile din materiale compozite 295 9.4. Dimensionarea i verificarea structurilor din beton armat pentru transportul apei 296 9.4.1. Dimensionarea armturilor inelare din seciunea transversal a structurii 296 9.4.2. Dimensionarea armturilor longitudinale 301 9.5. Dimensionarea masivelor de ancoraj 302 9.5.1. Dimensionarea masivelor de ancoraj la coturi n plan orizontal 302 9.5.2. Dimensionarea masivelor de ancoraj n cazul coturilor verticale 304

Capitolul 10. Exemple numerice 307

10.1. Conduct rigid 307 10.1.1. Calculul n seciune transversal 308 10.1.1.1. Determinarea caracteristicilor geometrice de calcul ale conductei 308 10.1.1.2. Stabilirea categoriei de comportare a conductei 308 10.1.1.3. Calculul aciunilor (pe o lungime de 1 metru) 308 10.1.1.4. Schema de calcul i de ncrcare pe grupri de aciuni 310 10.1.1.5. Determinarea strii de eforturi 315 10.1.2. Dimensionarea i verificarea conductei 319 10.1.2.1. Calculul la starea limit de rezisten (SLR) 319 10.1.2.1.1. Dimensionarea armturii transversale 319 10.1.2.1.2. Dimensionarea armturii longitudinale 325 10.1.2.2. Verificarea la starea limit de deschidere a fisurilor (SLDF) 326 10.1.2.3. Verificarea capacitii portante la starea limit de rezistenta (SLR) 329 10.2. Conduct flexibil 333 10.2.1. Cazul A - Pozare pe un pat amenajat n teren necoeziv cu unghi la centru 2=120o 334 10.2.1.1. Calculul n seciune transversal 334 10.2.1.1.1 Determinarea caracteristicilor conductei i ale terenului de umplutur 334 10.2.1.1.2. Stabilirea categoriei de comportare a conductei 335 10.2.1.1.3. Calculul aciunilor ( pe o lungime de 1 metru) 335 10.2.1.1.4. Schema de calcul i de ncrcare pe grupri de aciuni 337 10.2.1.1.5. Determinarea strii de eforturi i de deformaii n conduct 344


8

Pag. 10.2.1.2. Calculul pe direcie longitudinal 352 10.2.1.3. Verificarea conductei 354 10.2.1.3.1. Verificarea conductei din condiia de rezisten 354 10.2.1.3.2. Verificarea conductei din condiia de stabilitate 359 10.2.1.3.3. Verificarea conductei la starea limit de deformaie 362 10.2.2. Cazul B - Pozare pe pat neamenajat 364 10.2.2.1. Calculul n seciune transversal 364 10.2.2.1.1. Determinarea caracteristicilor conductei i ale terenului de umplutur 364 10.2.2.1.2. Calculul aciunilor (pe o lungime de 1 metru) 364 10.2.2.1.3. Schema de calcul i de ncrcare 365 10.2.2.1.4. Determinarea strii de eforturi i de deformaii n conduct 366 10.2.2.2. Calculul pe direcie longitudinal 367 10.2.2.3. Verificarea conductei 367 10.2.2.3.1. Verificarea conductei din condiia de rezisten 367 10.2.2.3.2. Verificarea conductei din condiia de stabilitate 368 10.3. Clopot semicircular 369 10.3.1 Calculul n seciune transversal 369 10.3.1.1. Calculul bolii 369 10.3.1.1.1. Determinarea caracteristicilor geometrice ale bolii 369 10.3.1.1.2. Calculul aciunilor (pe o lungime de 1 metru) 370 10.3.1.1.3. Calculul eforturilor pe grupri de ncrcri 372 10.3.1.2. Calculul radierului 378 10.3.1.2.1. Caracteristicile geometrice ale radierului 379 10.3.1.2.2. Schema de calcul i de ncrcare pe grupri de aciuni 379

10.3.2. Dimensionarea i verificarea colectorului 381 10.3.2.1. Calculul la starea limita de rezisten (SLR) 382 10.3.2.1.1. Dimensionarea armturii transversale din bolt 382 10.3.2.1.2. Dimensionarea armturii longitudinale din bolt 384 10.3.2.1.3. Dimensionarea armturii transversale din radier 385 10.3.2.1.4. Dimensionarea armturii longitudinale din radier 386 10.3.2.2. Verificarea la starea limit de deschidere a fisurilor (SLDF) 387 10.3.2.2.1. Verificarea armturii transversale din bolt 387 10.3.2.2.2. Verificarea armturii transversale din radier 389 10.3.2.3. Verificarea capacitii portante la starea limit de rezisten (SLR) 390 10.3.2.3.1. Verificarea capacitii portante la bolt 390 10.3.2.3.2. Verificarea capacitii portante la radier 392 10.4. Clopot semieliptic monolit 394 10.4.1. Calculul n seciune transversal 395 10.4.1.1. Calculul aciunilor (pe o lungime de 1 metru) 395 10.4.1.2. Calculul eforturilor pe grupri de ncrcri 397 10.4.2. Calculul pe direcie longitudinal 402 10.4.3. Dimensionarea i verificarea colectorului 403 10.4.3.1. Calculul la starea limit de rezisten (SLR) 403 10.4.3.1.1. Dimensionarea armturii transversale din bolt 403 10.4.3.1.2. Dimensionarea armturii longitudinale din bolt 405 10.4.3.1.3. Dimensionarea armturii transversale din radier 406 10.4.3.1.4. Dimensionarea armturii longitudinale din radier 408 10.4.3.2. Verificarea armturii la starea limit de deschidere a fisurilor (SLDF) 409 10.4.3.2.1. Verificarea armturii transversale din bolt 409 10.4.3.2.2. Verificarea armturii transversale din radier 410 10.4.3.3. Verificarea capacitii portante la starea limit de rezisten (SLR) 412 10.4.3.3.1. Verificarea capacitii portante la bolt 412 10.4.3.3.2. Verificarea capacitii portante la radier 415 ANEXA. Consideraii privind definirea i calculul rigiditii tuburilor realizate din materiale compozite 419

Bibliografie 423

Elemente introductive. Noiuni fundamentale

9

1. ELEMENTE INTRODUCTIVE. NOIUNI FUNDAMENTALE

1.1. INTRODUCERE

Dezvoltarea economic a localitilor urbane i rurale este indisolubil legat de realizarea sistemului centralizat de alimentare cu ap i n paralel a sistemului de canalizare a apelor uzate, cele dou sisteme asigurnd att satisfacerea necesarului raional de ap al tuturor folosinelor din spaiile construite precum i evacuarea n condiii igienico- sanitare corespunztoare a apelor uzate, limitnd astfel la maximum efectul activitilor omeneti n ceea ce privete deteriorarea calitii mediului nconjurtor.

Prin sistem de alimentare cu ap se nelege totalitatea construciilor, instalaiilor i msurilor prin care apa captat dintr-o surs natural, este mbuntit din punct de vedere al caracteristicilor de calitate (conform cerinelor impuse de beneficiar i a standardelor de calitate), este transportat n condiii sanitare corespunztoare, nmagazinat provizoriu n construcii speciale i distribuit la toi consumatorii n cantitatea i la presiunea cerut de acetia.

Sistemul de canalizare cuprinde ansamblul de lucrri care asigur colectarea apelor uzate, de la locul de producere, transportul i epurarea lor la un asemenea grad, nct calitatea apelor epurate s fie comparabil cu calitatea apelor naturale din mediul receptor natural.

Lucrrile principale din cadrul unui sistem de alimentare cu ap sunt: captarea, staia de pompare, staia de tratare, aduciunea, rezervorul de nmagazinare, reeaua de distribuie.

Captarea asigur preluarea sigur a apei din sursa natural, n cantitatea necesar. Staia de tratare asigur corectarea calitii apei captate din surse naturale, la nivelul

indicatorilor minimi de calitate pe care i solicit beneficiarul n condiiile unei funcionri sigure i cu o durabilitate ndelungat.

Staia de pompare asigur energia necesar ca apa s ajung de la cota geodezic a sursei pn la punctul efectiv de utilizare (robinetul de plecare a apei la utilizator).

Este o lucrare consumatoare de energie i de aceea este de preferat, dac este posibil, adoptarea unor scheme fr staii de pompare.

Aduciunea asigur transportul apei ntre captare i rezervor, complexitatea acesteia depinznd de condiiile de relief, mrimea debitului i calitatea apei transportate, sigurana cerut n funcionare. Nu poate lipsi din schema sistemului de alimentare cu ap.

Rezervorul de nmagazinare asigur schimbarea ritmului de funcionare a sistemului ntre amonte i aval precum i a unor rezerve de ap pentru caz de incendiu sau avarii. Este o lucrare ce nu poate lipsi din schema de alimentare cu ap putnd fi amplasat la sol sau la nlime (castel de ap) n funcie de relief i de presiunea cerut de utilizator.

Reeaua de distribuie asigur apa de calitate necesar utilizatorului n cantitatea i la presiunea cerut, neputnd lipsi din schema de alimentare cu ap.

Sistemul de canalizare este alctuit din urmtoarele lucrri funcionale:


10

reelele interioare din cldiri sau hale industriale; reeaua de canalizare exterioar format din canale de racord, colectoare secundare,

colectoare principale; staiile de pompare sau repompare; conducte de refulare de la staiile de pompare; construcii accesorii (cmine de vizitare i splare, cmine de rupere de pant, camere

deversoare, sifoane etc.); staii de epurare; colectorul de descrcare cu gura de vrsare n emisar. Colectoarele principale au rolul de a primi apele colectate de pe ntreaga suprafa a

localitii, de a le transporta n aval de localitate, la staia de epurare i de aici la emisar. O localitate poate avea unul sau mai multe colectoare principale, n funcie de relieful

terenului, poziia emisarului i schema sistemului de canalizare. Colectoarele secundare i canalele de serviciu primesc i transport apele de la bazinele de colectare aferente lor. Canalele de racord leag canalizarea interioar a cldirilor cu canalele de serviciu sau cu colectoarele secundare. Canalele deversoare conduc surplusul de ap din colectoarele principale, n cursurile de ap apropiate, intrnd n funciune numai dup ce apele uzate din colectorul respectiv au fost diluate la un raport corespunztor, astfel nct s fie ndeplinite condiiile de calitate impuse cursului de ap. Ele se prevd numai n sistemele unitare de canalizare, pentru a reduce seciunea colectoarelor principale.

Staia de epurare asigur epurarea apelor uzate la un grad compatibil cu calitatea apelor naturale din mediul receptor (emisar).

Realizarea ansamblului lucrrilor din sistemele de alimentare cu ap i canalizare determin pe de o parte, mbuntirea strii sanitare i creterea confortului edilitar al centrelor populate precum i protecia solului, a apelor subterane i de suprafa, pe de alt parte.

Concepia, proiectarea i realizarea acestor lucrri reprezint o problem pluridisciplinar care se bazeaz pe algoritme de optimizare multicriterial ce trebuie s ia n considerare o serie de cerine fundamentale de care depinde sigurana i exploatarea normal a acestui gen de lucrri.

Cerinele fundamentale ce trebuie analizate n vederea stabilirii nivelului de siguran i a criteriilor de performan pot fi grupate astfel:

cerine de ncadrare n mediu natural i construit; cerine de siguran funcional; cerine de siguran structural; cerine de exploatare normal i mentenana dup punerea n funciune a lucrrilor. Satisfacerea acestor cerine n ansamblul lor reprezint o condiie obligatorie pentru

realizarea raional i economic a oricrui sistem de alimentare cu ap i canalizare. Neglijarea uneia sau alteia dintre cerine conduce cu siguran la lucrri de proast calitate, costuri suplimentare de investiie i exploatare sau o durabilitate sczut.

Proiectarea i realizarea structurilor ce intr n componena sistemelor de alimentare cu ap i canalizare nu se poate face fr cunoaterea cerinelor i schemelor de funcionare deoarece multe dintre criteriile de performan structural deriv din cerinele funcionale.

Din prezentarea succint a sistemelor de alimentare cu ap i canalizare rezult c lucrrile principale ce asigur transportul apei pot fi privite ca un subsistem al acestora alctuit n principal din:

aduciuni, cu nivel liber sau sub presiune; reele de distribuie a apei potabile; reele de canalizare; canale colectoare principale, secundare, canale de serviciu, canale

deversoare, canale de evacuare etc.; conducte de legtur ntre obiectele componente ale staiilor de tratare i epurare. Prezentul capitol are drept scop semnalarea principalelor elemente i cerine funcionale


11

necesare inginerului proiectant de structuri pentru a putea aborda corect i n cunotin de cauz concepia, alctuirea i dimensionarea acestui gen de structuri.

1.2. CARACTERISTICILE APELOR TRANSPORTATE N SISTEMELE DE ALIMENTARE CU AP I CANALIZARE I INFLUENA LOR

ASUPRA STRUCTURILOR

Structurile din cadrul sistemelor de alimentare cu ap pot transporta mai multe tipuri de ape ale cror caracteristici fizico - chimice, biologice i organoleptice sunt foarte diverse.

Cunoaterea tipurilor de ape transportate i a caracteristicilor de calitate a acestora precum i a apelor subterane cu care structurile pot intra n contact are o mare importan n luarea deciziilor privind alctuirea i alegerea materialelor din care se realizeaz structurile.

Se disting mai multe tipuri de ape i anume: ape din surse de suprafa provenite din: mri i oceane; cursuri de ap; lacuri i bli naturale sau artificiale;

ape subterane provenind din: izvoare; strate freatice de mic adncime; strate de adncime de la 100 500 m sub pmnt;

ape tratate, potabile, care pot fi consumate de om direct sau indirect, timp ndelungat, fr a-i prejudicia sntatea;

ape uzate, care au fcut obiectul unei folosiri i creia i-au fost modificate caracteristicile fizice, chimice, biologice i radioactivitatea;

ape epurate, evacuate din staia de epurare la un grad de epurare compatibil cu calitatea apelor din emisar;

ape meteorice, care provin din precipitaii i sunt colectate de reeaua de canalizare; ape uzate industriale provenite din folosirea apei n industrii a cror compoziie variaz

n limite foarte largi funcie de procesele tehnologice utilizate i materiile prime supuse prelucrrii.

Categoriile de ape, compoziia i principalii indicatori de calitate pentru diverse ape sunt artate n detaliu n standarde, lucrri i tratate de specialitate [13], [21] inginerul proiectant de structuri trebuind s analizeze influena apelor transportate asupra structurilor funcie de tipul i gradul de agresivitate al acestora ntruct pot fi ntlnite:

din punct de vedere al pH-ului: ape alcaline; pH = 11 - 14 ape slab alcaline; pH = 8 - 10 ape neutre; pH = 7 ape slab acide; pH = 4 - 6 ape puternic acide; pH = 1 - 3;

dup mrimea duritii: ap foarte moale, cu duritate pn la 4,2o ap moale cu duritate pn la 8o ap cu duritate normal, cu duritate pn la 16o ap dur, cu duritate pn la 25o ap foarte dur cu duritate peste 25o;

ape uzate cu coninut ridicat de hidrocarburi i grsimi de provenien animal sau vegetal;


12

ape uzate cu coninut ridicat de: hidrogen sulfurat, clor, bioxid de carbon, sulfai sau sedimente care prin descompunere pot emana gaze care n contact cu oxigenul din aer se oxideaz producnd compui agresivi asupra structurii.

Apele slab i puternic acide produc fenomene de coroziune asupra betonului i betonului armat, a oelului i fontei, care reduc considerabil durabilitatea i pot pune n pericol rezistena i stabilitatea n timp a structurii.

Duritatea apei este datorat prezenei n ap n special a compuilor de Ca i Mg dar i datorit sulfailor i carbonailor.

Apa cu duritate mare poate produce depuneri formnd o crust care diminueaz seciunea de scurgere i favorizeaz depunerea de bacterii ce afecteaz calitatea apei. Apele cu coninut ridicat de H2S, CO2, SO4, SO3 pot ataca chimic materialele din care se realizeaz structurile, la anumite concentraii putndu-se dezvolta agresivitate de tip: acid, sulfatic, carbonic de dezalcalinizare.

Alegerea tipului de material din care se realizeaz structura trebuie fcut n funcie de tipul de agresivitate determinat pe baza analizelor chimice ale apei.

Analiza chimic i bacteriologic a apei transportate precum i a apelor subterane ce pot intra n contact cu structura trebuie s stea la baza alegerii materialelor precum i la stabilirea soluiilor de protecie anticoroziv ale structurii. Gradul de agresivitate fa de beton a fluidelor transportate se stabilete n funcie de natura i concentraia agenilor corozivi conform datelor din tabelul 1.1.

Tabelul 1.1

Gradul de agresivitate Coninutul de SO24 (mg/dm3) Coninutul de CO2 liber (mg/dm3) pH Slab 250 30 6 - 6,5 Medie 250 - 600 30 - 60 6 - 5,5 Puternic 600 - 2000 60 5,5 - 3 Foarte puternic > 2000 > 60 3

Pentru ali compui agresivi dect cei indicai n tabelul 1.1 este obligatorie efectuarea de

studii i cercetri experimentale att pentru stabilirea gradului de agresivitate precum i pentru elaborarea soluiei de protecie anticoroziv.

Trebuie avut n vedere, de asemenea, temperatura fluidelor transportate deoarece la temperaturi > 25o fenomenele de coroziune se accentueaz.

1.3. SCHEME HIDRAULICE DE FUNCIONARE A SISTEMELOR DE ALIMENTARE CU AP

Proiectarea structurilor de rezisten a sistemelor de transport al apei nu poate fi conceput fr cunoaterea schemelor hidraulice de funcionare a sistemului de alimentare cu ap ntruct acestea furnizeaz elementele necesare calculului structural, cum ar fi: debitul necesar a fi transportat, tipul apei i caracteristicile acesteia, amplasamentul i alctuirea sistemului de transport, panta hidraulic, viteza de circulaie a apei, tipul i caracteristicile pompelor necesare, tipul construciilor accesorii etc.

Schemele de funcionare hidraulic a sistemelor de alimentare cu ap precum i principiile de dimensionare sunt analizate cu toate implicaiile i complexitatea lor n lucrrile[13], [21].

Din multitudinea de scheme posibile se alege n general schema cea mai raional din punct de vedere tehnic i economic, care ia n considerare principalii factori care determin eficiena sistemului n ansamblul su, cum ar fi: natura sursei de ap, relieful terenului, calitatea apei tratate, mrimea debitului necesar, cheltuielile de investiie, cheltuielile de exploatare etc.

Principalele scheme funcionale care se pot adopta sunt: schema gravitaional de alimentare cu ap n cazul n care sursa de ap este de calitate

(Fig.1.1); schema de alimentare cu ap prin pompare cu rezervor de trecere (Fig. 1.2, 1.3); schema de alimentare cu ap prin pompare i contrarezervor (Fig.1.4); scheme complexe de alimentare cu ap care asigur alimentarea cu ap zonal sau

regional.

Fig. 1.1. Schem gravitaional de alimentare cu ap

Fig. 1.2. Schem de alimentare cu ap prin pompare cu rezervor de trecere


13

Fig. 1.3. Schem de alimentare cu ap n zonele de es

Din analiza acestor scheme rezult c aduciunile i reeaua de distribuie pot funciona astfel:

a) aduciuni: aduciuni gravitaionale funcionnd cu nivel liber sau sub presiune; aduciuni funcionnd prin pompare, la presiune constant sau variabil;

b) reeaua de distribuie: b.1) n funcie de modul de alimentare:

reea alimentat gravitaional din rezervoare sau castele de ap; reea alimentat prin pompare; reele cu alimentare combinat, parial gravitaional, parial prin pompare;

b.2) din punctul de vedere al funcionrii n caz de incendiu: reea de nalt presiune, care asigur direct debitul de incendiu i presiunea

de funcionare a hidrantelor pentru combaterea tuturor incendiilor normate; reea de joas presiune, care asigur presiunea de funcionare la branament,

iar n caz de incendiu presiunea minim de 7 m coloan H2O.

Fig. 1.4. Schem de alimentare cu ap funcionnd prin pompare cu contrarezervor

Pentru o bun funcionare presiunea maxim n reeaua de distribuie nu trebuie s depeasc 45-50 m coloan H2O. Ridicarea presiunii n reea, chiar temporar, peste 60 m coloan H2O poate conduce la avarierea armturilor, n special a celor din spaiul de locuit, i chiar a conductelor.

Din situaia real de amplasare, din schemele de funcionare i de dimensionare hidraulic a sistemului, rezult principalele elemente necesare calculului structural cum ar fi:

amplasarea n plan i adncimile de ngropare pentru a putea determina sistemele de fore din aciunea pmntului;

debitul, vitezele de transport, natura fluidului transportat, forma seciunii transversale pentru a putea stabili elementele de schematizare geometric i msurile de protecie anticoroziv;

presiunea interioar maxim, msurat n metri coloan de ap, ca diferena ntre linia piezometric i radierul conductei, funcie de schema tehnologic de funcionare;

eventualele suprapresiuni datorate loviturii de berbec; zonarea reelelor funcie de presiunea maxim; construciile accesorii necesare pe traseu.


14

n funcie de mrimea i dezvoltarea localitilor, forma n plan a reelelor de distribuie a apei potabile, poate fi: ramificat, inelar sau mixt.

Reeaua ramificat (Fig.1.5) este caracteristic localitilor dezvoltate n lungul unei artere importante de circulaie. Este o reea prin care fiecare consumator este alimentat pe un singur circuit. Are avantajul c este mai scurt dar i dezavantajul unei sigurane mai mici n exploatare deoarece o avarie pe conducta principal n zona amonte ntrerupe alimentarea cu ap n aproape toat localitatea.

Fig. 1.5. Schema n plan a unei reele ramificate

Reeaua inelar (Fig.1.6) este format din numeroase circuite nchise (inele) alturate i alimentat prin una sau dou conducte din rezervor. Ea este specific localitilor sau unitilor industriale mari i deci lungimea unei asemenea reele este mai mare dect a unei reele ramificate; prezint avantajul unei sigurane sporite n exploatare sau n caz de incendiu (consumatorii sunt alimentai prin cel puin dou circuite).

Fig. 1.6. Schema n plan a unei reele inelare

Reeaua mixt (Fig.1.7) este de fapt forma practic a reelei n cele mai multe localiti deoarece prin extinderea localitii reeaua iniial ramificat tinde spre o reea inelar prin nchiderea cu bretele a conductelor de pe strzi.

Fig. 1.7. Schema n plan a unei reele mixte

Trebuie menionat faptul c nu orice reea aparent inelar se comport ca o reea inelar;

Elemente introductive. Noiuni fundamentale 15

pentru a avea o asemenea comportare trebuie ca dimensiunile conductelor ce formeaz inelul s fie sensibil apropiate.

1.4. SCHEME DE FUNCIONARE A SISTEMELOR DE CANALIZARE

n funcie de modul de colectare i evacuare a apelor uzate i meteorice se deosebesc trei sisteme de canalizare:

sistemul unitar; sistemul separativ sau divizor; sistemul mixt. Sistemul unitar este sistemul n care colectarea i evacuarea apelor uzate i a celor meteorice

se face printr-o reea unic (Fig.1.8).

Fig. 1.8. Sistem de canalizare unitar

Sistemul separativ sau divizor (Fig.1.9) este sistemul n care colectarea i evacuarea apelor uzate se face printr-o reea independent fa de reeaua pentru apele meteorice.

Fig. 1.9. Sistem de canalizare separativ (divizor)


16


17

n acest sistem apele meteorice pot fi descrcate n interiorul localitii n diferite cursuri de ap prin canale deschise sau printr-o reea de canale subterane.

Sistemul mixt este sistemul n care apele sunt canalizate n anumite zone n sistem unitar iar n alte zone n sistem separativ.

Alegerea sistemului de canalizare trebuie s in seama de importana i caracteristicile localitii, de debitul apelor uzate i meteorice ce urmeaz a fi colectate i evacuate, relieful terenului, caracteristicile cursurilor de ap ce strbat localitatea sau din apropiere.

O alegere raional este rezultatul unei analize tehnico - economice care ia n considerare att condiiile locale precum i avantajele i dezavantajele pe care le prezint sistemele respective.

Sistemul de canalizare unitar este indicat pentru localitile amplasate n zonele de es, prezentnd o serie de avantaje dup cum urmeaz:

necesit o singur reea, rezolvnd de la nceput colectarea i evacuarea tuturor categoriilor de ap;

prezint un cost total al reelei mai mic dect n sistemul separativ, costul scznd i mai mult n cazul posibilitii de deversare n interiorul localitii a apelor de ploaie;

necesit o exploatare cu costuri mai reduse. Sistemul unitar are dezavantajul c la ploi cu frecvena mai mare dect aceea la care s-a

calculat reeaua, canalele pot fi puse sub presiune, ceea ce conduce la inundarea strzilor i subsolurilor.

Sistemul separativ are urmtoarele avantaje: prezint condiii hidraulice de funcionare mai bune pentru reeaua de ape uzate, nivelul

apelor n canale avnd variaii mai mici; este mai economic n cazul n care se impune pomparea apelor mai ales n cazul unor

debite i nlimi de pompare mari; conduce la un cost mai redus al instalaiilor de epurare mecanic. Sistemul are dezavantajul unui cost de investiie mai ridicat, fa de sistemul unitar, mai ales

n cazul n care sunt necesare canale subterane pentru apele meteorice. Canalizarea n sistem separativ se recomand n urmtoarele cazuri: n localitile mici unde o parte din apele meteorice pot fi evacuate la suprafa prin

rigole i canale deschise; cnd aceasta permite evitarea pomprilor; cnd emisarul are un debit de diluie mic; cnd reeaua existent n sistem unitar nu mai poate transporta ambele categorii de ape. Sistemul mixt este recomandabil n cazul n care apare necesar zonarea reelei de canalizare

funcie de densitatea populaiei sau mrimea debitelor pe anumite zone ale localitii. n asemenea cazuri se poate rezolva n sistem unitar, zonele (sau cartierele) cu densitate

mare i n sistem separativ, zonele cu o populaie mai redus sau cele mai apropiate de emisar. Acest sistem este cu att mai indicat cu ct avem de a face cu o canalizare regional, n

cadrul creia racordarea localitilor mai mici se rezum la transportul apelor uzate n colectorul principal al oraului mai mare, chiar dac acesta se gsete incorporat ntr-o reea unitar.

innd seama de costul ridicat al lucrrilor dintr-un sistem de canalizare stabilirea schemelor i sistemului de canalizare trebuie s se fac pentru fiecare caz n parte pe baza unor studii i analize comparative care trebuie s ia n considerare urmtoarele:

sistemul adoptat s necesite un cost de investiie i de exploatare ct mai redus; s asigure o exploatare sigur i ct mai uoar; s asigure posibilitatea de extindere pentru o perspectiv de dezvoltare de cel puin 25

ani; s evacueze apele colectate cu o vitez corespunztoare astfel nct s se evite

nfundarea canalelor sau depunerea materiilor n suspensie; s realizeze un grad de epurare potrivit exigenelor de descrcare n emisar.

Stabilirea schemelor i sistemelor de canalizare, stabilirea debitelor apelor de canalizare, principiile de calcul hidraulic al canalelor n toat complexitatea lor sunt prezentate n lucrri i tratate de specialitate [19], [23].

Inginerul proiectant de structuri trebuie s cunoasc sau s se informeze cu privire la: schema de funcionare i configuraia sistemului; forma i mrimea seciunii transversale; caracteristicile fizico - chimice i bacteriologice ale apelor uzate menajere i/sau

industriale pe care le transport reeaua; categoria de salubritate a cursului de ap (emisar) i debitul maxim al acestora cu

asigurare 1% sau 1; ridicrile topografice prin care se precizeaz toate detaliile n plan i de nivelment cu

privire la traseele canalelor; condiiile de exploatare normal i msurile de securitate necesare; amplasamentul construciilor anex; releveul canalelor existente i a altor reele subterane: ap, gaze, telefon, electricitate etc. Pe lng culegerea datelor susmenionate trebuie ntreprinse ample studii geotehnice care

trebuie s precizeze: condiiile de stabilitate n amplasament; stratificaia terenului i principalele caracteristici fizico - mecanice ale acestuia; condiiile necesare fundrii corespunztoare a canalelor i construciilor din staia de

epurare sau a construciilor anex; nivelul apelor subterane i gradul de agresivitate al acestora.

1.5. SECIUNI CONSTRUCTIVE I MATERIALE PENTRU REALIZAREA SISTEMELOR DE TRANSPORT AL APEI

Sistemele structurale pentru transportul apei: aduciuni, reele de distribuie a apei potabile, reele de canalizare, sunt structuri hidroedilitare a cror lungime este foarte mare comparativ cu dimensiunile seciunii transversale.

Forma seciunii transversale difer n funcie de rolul i schema de funcionare hidraulic pe care l are subsistemul de transport n cadrul schemei generale a sistemului de alimentare cu ap i canalizare.

Pentru aduciunile gravitaionale cu nivel liber se pot utiliza seciuni de form: dreptunghiular, trapezoidal, circular (Fig.1.10) sau tip caset.

Fig. 1.10. Tipuri de seciuni pentru aduciuni gravitaionale cu nivel liber


18


19

Pentru aduciunile sub presiune funcionnd gravitaional sau prin pompare i reelele de distribuie a apei potabile forma cea mai indicat este seciunea circular. Pentru reelele de canalizare cele mai utilizate forme sunt: circular, ovoid, clopot circular, clopot semieliptic, clopot circular supranlat. Elementele geometrice pentru trasarea conturului interior al canalelor colectoare sunt artate n figura 1.11.

Materialele din care se pot realiza aduciunile sunt: betonul armat, betonul precomprimat,

oelul, fonta, fonta ductil, mase plastice (PVC, polietilen de nalt densitate), materiale compozite. Aduciunile al cror diametru nu depete 2000 mm se execut n general din tuburi sau

evi prefabricate avnd avantajul unei caliti controlate n fabric, pe antier urmnd a se efectua numai operaiile de amplasare i mbinare.

Pentru aduciuni de dimensiuni mari sau n cazuri speciale se poate utiliza betonul armat

turnat monolit cu condiia utilizrii unor cofraje pneumatice sau a cofrajelor speciale de tip PERI care prezint uurina de montare, decofrare i un grad de refolosire ridicat.

Reeaua de distribuie a apei potabile poate fi realizat din urmtoarele materiale: tuburi din beton precomprimat pentru arterele de diametru mare; conducte din font, font ductil, oel; evi din materiale plastice (PVC, polietilen de nalt densitate) sau alte materiale

compozite. Materialele pentru realizarea reelelor de canalizare cu cea mai larg utilizare sunt: betonul simplu, sub form de tuburi prefabricate pentru dimensiuni mici ale seciunii

transversale; betonul armat monolit, prefabricat (tuburi prefabricate) sau parial prefabricat (radier

monolit, boli prefabricate); materiale compozite (tuburi prefabricate din poliesteri armai cu fibr de sticl). Materialele i soluiile constructive pentru realizarea sistemelor de transport al apei trebuie

s satisfac pe lng cerinele i exigenele funcionale i o serie de exigene de siguran structural dintre care cele mai importante sunt:

s aib rezisten la toate combinaiile de aciuni ce pot interveni n exploatare pe toat durata lor de via;

structura s aib stabilitatea general i local asigurat i n consecin o rigiditate suficient pentru a nu se produce pierderea stabilitii echilibrului;

exigene de etaneitate att pentru structura propriu-zis ct i pentru mbinri sau la legtura cu construciile anex;

exigene de durabilitate sporit dat fiind efortul de investiie mare pentru realizarea acestui gen de lucrri i durata mare de exploatare, de peste 50 ani.

Dat fiind faptul c n marea lor majoritate structurile de transport al apei sunt ngropate i

pot transporta ape cu caracteristici de calitate foarte diverse, o atenie deosebit trebuie acordat analizelor privind:

asigurarea unei conlucrri corespunztoare a structurii cu terenul de fundare i umplutura de pmnt;

alegerea materialului i a msurilor de protecie anticoroziv funcie de agresivitatea fluidelor transportate, a terenului i a apelor subterane;

adoptarea unor tehnologii de execuie care s fie capabile s asigure calitatea n conformitate cu exigenele impuse fiecrei lucrri n parte.


20

Fig. 1.11. Elemente geometrice necesare trasrii conturului interior al canalelor colectoare

2. COMPORTAREA STRUCTURILOR NGROPATE

PENTRU TRANSPORTUL APEI Comparativ cu alte structuri, structurile pentru transportul apei sunt n marea lor majoritate

ngropate i ca urmare ele prezint o serie de particulariti de comportare att la aciuni statice ct i la aciuni dinamice i n special la aciunea seismic.

Comportarea structurilor pentru transportul apei este influenat de o multitudine de factori cum ar fi: natura materialului din care se realizeaz structura, rigiditatea ei, caracteristicile fizico - mecanice ale masivului de pmnt n care aceasta se nglobeaz, caracteristicile fluidelor transportate i a apelor subterane, seismicitatea amplasamentului, interaciunea structur - masivul de pmnt, calitatea execuiei etc.

2.1. COMPORTAREA STRUCTURILOR NGROPATE LA ACIUNILE DIN EXPLOATAREA NORMAL

n exploatarea normal acest gen de structuri sunt solicitate de o serie de aciuni statice ca: greutatea proprie, presiunea vertical a pmntului, mpingerea activ a pmntului, presiunea hidrostatic, precum i de aciuni cu caracter dinamic provenite din circulaia mijloacelor de transport sau presiunea hidrodinamic rezultat ca urmare a modificrii brute sau foarte rapide a regimului de curgere al apei (lovitura de berbec).

Comportarea structurii la aciunile din exploatarea normal este influenat n principal de modul de interaciune al structurii cu patul de fundare i pmntul de umplutur.

n funcie de natura materialului, caracteristicile de rigiditate ale structurii, caracteristicile fizico - mecanice ale patului de fundare i a pmntului de umplutur, pe perioada exploatrii normale se pot deosebi trei categorii de comportare a acestui gen de structuri i anume:

structuri rigide, structuri semirigide, structuri flexibile. Stabilirea categoriei de comportare se poate face n funcie de o mrime adimensional,

denumit indice de flexibilitate. Pentru conducte circulare (Fig.2.1) indicele de flexibilitate se poate calcula cu relaia:

Fig. 2.1. Conduc circular ngropat

( )2 300

12 1.

1fcE RIE h

= + (2.1)

Comportarea structurilor ngropate pentru transportul apei

21

n relaia (2.1) s-a notat: E0 - modulul de deformaie al pmntului de umplutur; E - modulul de elasticitate al materialului din care se realizeaz conducta; o; - coeficienii lui Poisson, al pmntului, respectiv al materialului din care se realizeaz conducta; R - raza medie a conductei; h - grosimea peretelui conductei. n funcie de valoarea indicelui de flexibilitate Ifc, conductele circulare pot avea urmtoarele

categorii de comportare: a) conducte rigide dac Ifc < 2; b) conducte semirigide dac 2 Ifc 10; c) conducte flexibile dac Ifc > 10. Pentru radierul canalelor colectoare sau al galeriilor avnd seciune transversal ptrat sau

dreptunghiular (Fig.2.2) stabilirea categoriei de comportare al acestuia se poate face calculnd indicele de flexibilitate cu relaia:

3

010frEIE h

A (2.2)

n care: E0 - modulul de deformaie al terenului de fundare; E - modulul de elasticitate al materialului; A - semideschiderea radierului; h - grosimea radierului.

Fig. 2.2. Seciuni transversale prin canale colectoare

n funcie de valoarea indicelui de flexibilitate radierele se ncadreaz ntr-unul din urmtoarele categorii de comportare:

a) radiere rigide dac Ifr< 1; b) radiere semirigide dac 1 If r 10; c) radiere flexibile dac Ifr > 10.


22

Conductele rigide au deformaii mici sub aciunea ncrcrilor curente de exploatare i ca urmare rspunsul terenului de umplutur pe nlimea acesteia este practic nul, cunoscut fiind faptul c pentru a se dezvolta presiunea pasiv a pmntului sunt necesare deformaii relativ mari ale conductei i masivului de pmnt.

Conductele flexibile au deformaii mai mari i n consecin sunt create condiiile pentru dezvoltarea presiunii pasive a pmntului de umplutur i ca atare se poate conta pe un rspuns lateral al masivului de pmnt.

Trebuie ns s atragem atenia c pentru a putea conta pe un rspuns corespunztor al pmntului de umplutur sunt necesare urmtoarele:

compactarea patului de fundare; efectuarea umpluturilor cu material sortat a cror granul maxim s nu depeasc

16 mm; compactarea umpluturii n straturi pe cel puin 75% din nlimea conductei; asigurarea unui grad de compactare a umpluturii de cel puin 95%, pe fiecare strat.

Evoluia deformrii conductelor flexibile este ilustrat n figurile 2.3, 2.4, 2.5 i 2.6.

Fig. 2.3. Seciunea circular iniial a conductei

Fig. 2.4. Tendina de ovalizare a conductei sub

aciunea ncrcrilor verticale

Fig. 2.5. Reducerea deformaiilor datorate

rspunsului lateral al umpluturii compactate

Fig. 2.6. Micorarea deformaiilor ca urmare a

punerii sub presiune

Stabilirea categoriei de comportare a conductelor cu seciune circular are o mare

importan pentru definirea ct mai corect a modelelor de calcul i a determinrii unei stri de eforturi i deformaii ct mai apropiat de starea real.

Odat stabilit categoria de comportare se pot dezvolta modele de calcul difereniate pentru calculul strii de eforturi i deformaii. De asemenea criteriile de verificare i dimensionare din condiii de rezisten i stabilitate sunt mai uor de aplicat funcie de categoria de comportare ntruct:


23


24

la conductele rigide dimensionarea rezult practic din condiia de rezisten, condiia de stabilitate fiind ndeplinit;

la conductele flexibile dimensionarea rezult din condiia de stabilitate n timp ce pentru conductele semirigide trebuie efectuate ambele verificri.

2.2. COMPORTAREA STRUCTURILOR NGROPATE LA ACIUNEA SEISMIC

Datele privind comportarea lucrrilor subterane arat c la cutremure cu intensitate mare, structurile acestora au suferit avarii serioase i difereniate n funcie de adncimea de ngropare dat fiind faptul c la adncimi relativ reduse nu se produc modificri sensibile ale parametrilor undelor seismice, n timp ce odat cu creterea adncimii de ngropare are loc o reducere a principalilor parametri de intensitate a cutremurelor (deplasri, viteze i acceleraii ale particulelor de pmnt).

Avariile lucrrilor subterane sunt provocate de un complex de fenomene fizice care nsoesc micarea seismic ca: desprinderi, ruperi, lunecri, prbuiri n masivul de pmnt, dar i de modificarea strii de eforturi i deformaii n masiv precum i de distorsiunile care apar n cmpul acestora, determinate de prezena lucrrilor subterane.

Avariile provocate de micarea seismic pot fi grupate n dou mari categorii: forfecri i lunecri n masivul de pmnt i degradri de natur tectonic.

Prima categorie de avarii apare ca urmare a unor modificri disjunctive n scoara terestr cu efecte de deplasri de forfecare n masiv. Aceste deplasri ale masivului antreneaz deplasri similare ale lucrrii subterane nglobate. De obicei astfel de fenomene se produc n zone relativ bine cunoscute prin studii geologice i seismologice, adeseori de-a lungul faliilor active.

Un alt gen de lunecri se pot produce prin lichefieri sau reduceri ale stabilitii la alunecare a versanilor.

Practic este greu de proiectat lucrri subterane capabile s reziste la asemenea macrodeplasri ale masivului de pmnt, de aceea se caut evitarea zonelor i amplasamentelor unde sunt probabile asemenea fenomene.

O a doua categorie de avarii se datoreaz efectului de propagare a undelor seismice n masivul de pmnt i n lucrarea subteran nglobat.

Sub efectul undelor seismice att masivul de pmnt ct i lucrarea subteran efectueaz micri oscilatorii n urma crora poate apare o schimbare semnificativ a strii de eforturi i deformaii att n structur ct i n masivul de pmnt. Aceste schimbri pot produce avarii grave care sunt greu de remediat i necesit eforturi de investiie importante la care se adaug toate inconvenientele legate de ntreruperea funcionrii sistemului.

Statisticile i literatura de specialitate conin relativ puine date privind ingineria seismic a construciilor pentru transportul apei. Cu toate acestea practica a artat c aduciunile i reelele de distribuie a apei sunt n general mai vulnerabile la aciunea seismic n comparaie cu alte construcii. Sensibilitatea lor la aciunea seismic se datoreaz faptului c ele se desfoar pe zone extinse, cu o variabilitate mare a caracteristicilor fizico - mecanice ale terenurilor n care sunt amplasate i n general n terenuri relativ slabe.

Gradul de vulnerabilitate ridicat al acestui gen de lucrri a condus la adoptarea unor strategii specifice privind protecia acestor structuri la aciunea seismic.

O prim strategie pornete de la conceptul admiterii oricror tipuri de avarii cu condiia ca ele s nu pun n pericol viei omeneti.

Aceast strategie are din pcate numeroi susintori existnd prerea c nu este posibil i nu ar fi economic s se previn avariile care pot surveni n timpul unui cutremur puternic.

A doua strategie, mai raional, are la baz conceptul admiterii unor avarii controlate care s nu conduc la scoaterea total din funciune a sistemului de alimentare cu ap i canalizare, cu condiia ca costurile necesare pentru remedierea avariilor produse de cutremure s nu depeasc costul iniial al investiiei necesare prevenirii acestor avarii [20].


25

Adoptarea celei de a doua strategii este reclamat i de necesarul de ap sporit n perioada imediat urmtoare unui seism puternic, att pentru consumul populaiei dar mai ales pentru stingerea incendiilor care se produc adesea dup o micare seismic puternic.

Din experiena comportrii la aciunea seismic a reelelor de alimentare cu ap urbane s-au

desprins urmtoarele constatri mai importante:

degradri de amploare ale reelelor i aduciunilor s-au nregistrat la cutremure de intensitate mai mare de 8 MM;

natura terenului influeneaz comportarea, constatndu-se deteriorri mai pronunate n cazul terenurilor aluvionare i al pmnturilor afnate;

pozarea conductelor pe terenuri cu variaii mari ale proprietilor fizico - mecanice, de-a lungul traseului, fr msuri suplimentare de protecie antiseismic, conduce la nrutirea comportrii la cutremur;

avarierea conductelor se produce prin: rupturi transversale, rupturi n zona mbinrilor rigide, rupturi n zonele de rigidizare (masive de ancoraj, cmine, fundaii de cldiri), smulgeri ale mbinrilor elastice;

cele mai multe avarii au suferit conductele la care traseul a coincis cu direcia de propagare a undelor seismice nregistrndu-se avarii tipice ca: smulgerea capetelor tuburilor din mufe, distrugerea pieselor de legtur, crparea transversal, strivirea local a conductelor n zonele de mbinare;

conductele de oel au rezistat cel mai bine la solicitri seismice, fiind urmate de conductele din: beton armat i beton precomprimat, mase plastice, fonta, azbociment, beton simplu, bazalt artificial, materiale ceramice.

Multitudinea avariilor posibile dar mai ales evitarea scoaterii totale din funciune impune

respectarea unor msuri i recomandri de protecie antiseismic pentru aduciuni, reele de ap i canalizare, dup cum urmeaz:

alegerea unui traseu astfel nct fundarea s se fac pe un teren ct mai bun; evitarea traseelor prin terenuri abrupte, iar cnd astfel de terenuri nu pot fi evitate

s se prevad masive de ancoraj echipate cu mbinri flexibile n amonte i aval; alegerea adncimii conductei astfel nct s permit o intervenie ct mai uoar

n caz de avarii; evitarea umpluturilor de pmnt, care pot ceda la o eventual micare seismic,

producnd avarierea conductelor; verificarea calitii fiecrui tub n parte i a pieselor de legtur, pozarea tuburilor

pe un pat amenajat bine compactat i rezemarea tuburilor pe un unghi la centru de cel puin 60o;

compactarea ngrijit n straturi de circa 2030 cm a umpluturilor din jurul i de deasupra conductei, pn la nivelul terenului natural; gradul de compactare trebuie s fie de cel puin 95%;

evitarea amplasrii conductelor n vecintatea taluzurilor, a malurilor rurilor, plajelor, falezelor;

prevederea unor manoane de expansiune n punctele de legtur a conductelor cu construciile rigide (rezervoare, cmine, perei, masive de ancoraj);

echiparea cu vane a fiecrui traseu de conducte la distane de circa 500-1000 m i realizarea reelei sub forma unei reele inelare astfel nct eventualele avarii ivite ntr-o zon a sistemului s nu conduc la scoaterea din funciune a celorlalte zone;


26

prevederea de mbinri flexibile la conductele de beton precomprimat la circa 25-30 m, amplasate n zonele rectilinii ale traseului;

realizarea a minimum dou fire pentru aduciunile mari sau n cazul subtraversrilor sifonate i al traversrilor de conducte pe poduri; fiecare fir va fi prevzut pe ambele maluri cu vane i manoane flexibile;

dimensionarea podurilor de conducte la solicitri seismice ncadrate la o categorie superioar cu o unitate zonei seismice a amplasamentului;

amplasarea cminelor de vane de pe arterele mari cu Dn> 500 mm n zone libere care nu pot fi blocate de circulaie sau de eventualele cldiri ce pot fi avariate n caz de cutremur;

legarea rigid a conductelor de aspiraie i de refulare de pereii staiilor de pompare pentru a preveni vibrarea lor diferit de cea a pereilor;

armarea transversal i longitudinal a conductelor de beton armat i beton precomprimat lund n considerare eforturile provocate de aciunea seismic i evitarea zonelor de concentrri de eforturi;

n amplasamentele cu terenuri foarte slabe de fundare se recomand nlocuirea conductelor din beton armat cu conducte de oel a cror comportare este mai bun.

n general lucrrile subterane de transport al apei trebuie concepute dup geometrii simple,

simetrice, cu distribuii uniforme ale maselor i rigiditilor att n seciune transversal ct i longitudinal, deoarece n zonele cu modificri brute de mas sau rigiditate sunt posibile concentrri de eforturi precum i apariia unor momente de torsiune importante.

De asemenea trebuie acordat o atenie deosebit asigurrii uniformitii compactrii n

lungul traseului pentru a evita eforturile suplimentare din tasri difereniate.

Aciuni i gruparea aciunilor. Calculul intensitii aciunilor

27

3. ACIUNI I GRUPAREA ACIUNILOR.

CALCULUL INTENSITII ACIUNILOR

3.1. CARACTERIZAREA I CLASIFICAREA ACIUNILOR

Orice cauz capabil s genereze stri de solicitare mecanic ntr-o structur constituie o aciune asupra respectivei structuri.

Aciunile pot fi caracterizate de o serie de parametri care pot preciza: natura aciunilor, intensitatea acestora, modul de aplicare, punctele sau suprafeele n care sunt aplicate, modul lor de distribuie n spaiu, evoluia lor n timp.

n funcie de natura lor aciunile pot fi modelate astfel: prin sisteme de fore, denumite n mod curent ncrcri; prin deformaii, datorate contraciei betonului sau variaiilor de temperatur climatice

sau tehnologice; prin deplasri datorate tasrilor difereniate ale patului de fundare, sau cedrii

reazemelor. Pe lng aciunile susmenionate structurile sistemelor de transport al apei pot suferi o serie

de degradri n timp datorate unor aciuni fizico - chimice cum ar fi: ngheul - dezgheul repetat; fenomene de eroziune, datorate unor viteze prea mari ale fluidelor transportate; atacul chimic al fluidelor transportate (ape brute, ape uzate, gaze) sau al apelor subterane

agresive, asupra betonului, metalului sau a altor materiale din care se realizeaz structura.

Pentru a evita efectele negative ale aciunilor fizico - chimice trebuie luate o serie de msuri dintre care se menioneaz:

efectuarea de analize chimice a fluidelor transportate i a apelor subterane pentru a putea stabili tipul de agresivitate (acid, sulfatic, carbonic, de dezalcalinizare etc.) ce acioneaz asupra structurii;

alegerea materialului din care se realizeaz structura funcie de tipul i gradul de agresivitate (redus, mediu, ridicat, foarte ridicat);

prevederea unor protecii anticorozive adecvate. Aciunile pot fi clasificate dup mai multe criterii, ca de exemplu: mod de aplicare,

distribuie, efectul asupra comportrii mecanice a structurii, variaia lor n timp. Din punctul de vedere al regulilor de verificare a siguranei structurilor, utiliznd metoda de

calcul la strile limit, principalul criteriu de clasificare al aciunilor este frecvena cu care acestea sunt ntlnite la diferite intensiti.

Clasificarea aciunilor i definirea lor, din acest punct de vedere, este prevzut n STAS 10101/0A, n conformitate cu tabelul 3.1.


28

Tabelul 3.1. Clasificarea aciunilor n conformitate cu STAS 10101/0A

Nr. crt. Categoria de aciuni Simbol Caracterizare

1. Permanente P Se aplic n mod continuu, cu o intensitate practic constant n raport cu timpul

2. Temporare T Se aplic n mod intermitent cu o intensitate variabil n raport cu timpul 2.1. Cvasipermanente C Se aplic n intensiti ridicate pe durate lungi sau n mod frecvent

2.2. Variabile V Intensitatea lor variaz sensibil n raport cu timpul sau/i se poate anula pe intervale lungi de timp

3. Excepionale E Apar foarte rar, eventual niciodat n viaa unei construcii la intensiti semnificative

Valoarea de referin a intensitii aciunilor, definite de regul probabilistic, se numete

intensitate normat i se noteaz cu qn. Valorile de calcul ale intensitii aciunilor se stabilesc prin nmulirea valorilor normate cu

coeficieni ai aciunilor care se stabilesc funcie de natura aciunilor, strile limit la care se face verificarea i tipul gruprilor de aciuni.

n cazul sistemelor ngropate de transport al apei aciunile ce trebuie luate n considerare

sunt:

a) Aciuni permanente modelate prin sisteme de fore (ncrcri permanente): greutatea proprie a structurii; presiunea vertical a pmntului de umplutur; presiunea activ a pmntului; suprancrcri uniform distribuite la suprafaa terenului; precomprimarea inelar i longitudinal n cazul conductelor de beton

precomprimat.

b) Aciuni temporare cvasipermanente (temporare de lung durat): greutatea proprie a apei din conduct; presiunea hidrostatic interioar; subpresiunea; variaiile de temperatur.

c) Aciuni temporare variabile (temporare de scurt durat): presiunile verticale i orizontale date de circulaia mijloacelor de transport

(tractoare, autovehicule, tramvaie, ci ferate); presiunile hidrodinamice rezultate ca urmare a modificrii brute a regimului de

curgere al apei (lovitura de berbec).

d) Aciuni excepionale: aciunea seismic.


29

n calculele de dimensionare sau verificare la diferite stri limit se iau n considerare strile de eforturi i deformaii, determinate pe baza valorilor intensitilor de calcul ale aciunilor n urmtoarele grupri de aciuni:

a) Grupri fundamentale: Gruparea fundamental I (conducta goal)

x aciuni permanente; x subpresiunea (dac exist); x variaiile de temperatur; x presiunile verticale i orizontale date de circulaia mijloacelor de transport.

Gruparea fundamental II (conducta n funciune): x aciuni permanente; x aciuni temporare cvasipermanente; x aciuni temporare variabile (inclusiv lovitura de berbec).

b) Gruparea special: aciuni permanente; aciuni temporare cvasipermanente; presiunile verticale i orizontale din circulaia mijloacelor de transport; aciunea seismic.

Coeficienii aciunilor indicai n prescripiile romneti comparativ cu cei recomandai de Klein [10] sunt nscrii n tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Valorile coeficienilor aciunilor (coeficieni de multiplicare a ncrcrilor normate)

Coeficieni ai aciunilor aplicai ca multiplicatori ai intensitii aciunilor normate

n gruprile fundamentale Aciunile

Recomandate Dup Klein n gruparea special

1. Aciuni permanente 1.1. Greutatea proprie 1,10 1,10 1,00 1.2. Presiunea vertical a pmntului 1,30 1,20

1,00 aplicat presiunii n regim dinamic

1.3. Presiunea orizontal a pmntului

1,30; 0,90*) 1,20; 0,90*) 1,00 aplicat presiunii n regim dinamic

1.4. Suprasarcini la suprafaa terenului 1,20...1,40 1,20 1,00

2. Aciuni temporare cvasipermanente 2.1. Greutatea apei din conduct 1,00 1,10 1,00

2.2. Presiunea interioar a apei 1.00 1,10

2.3. Subpresiunea 1,10 1,10

1,00 plus presiunea hidrodinamic

indus de cutremur 3. Aciuni temporare variabile 3.1. Aciuni din circulaia mijloacelor de transport

1,30 1,40 1,00

3.2. Lovitura de berbec 1,10 - -

3.3. Presiunea de ncercare a conductei 1.00 1,00 -

4. Aciunea seismic - - 1,00 *) Valorile subunitare se recomand atunci cnd au efect favorabil asupra siguranei

n gruparea special aciunile n regim dinamic se vor defini astfel: din pmnt, se vor defini presiunile verticale i orizontale funcie de intensitatea

seismic a amplasamentului; din aciunea apei se definesc: x presiunile hidrodinamice la structurile cu nivel liber; x suprapresiunile la conductele sub presiune; x efectele propagrii undelor seismice n lungul structurilor.

3.2. CALCULUL INTENSITII ACIUNILOR

n calculul aciunilor trebuie inut seama de prevederile normelor i de recomandrile fcute anterior. Trebuie ns subliniat c o evaluare ct mai exact a intensitii aciunilor constituie nc o problem care nu a fost integral rezolvat, din cauza multitudinii de factori i parametri care intervin n modelarea fenomenelor, a cror influen este dificil a fi exprimat prin relaii analitice conforme cu realitatea.

Problema se refer n principal la urmtorii factori: distribuia pe suprafaa structurii a presiunilor provenind din aciunea pmntului; modul de transmitere la structur a ncrcrilor concentrate sau distribuite care

acioneaz la suprafaa terenului; stabilirea unui model de interaciune adecvat la interfaa structur - masiv de pmnt i

influena sa asupra strii de eforturi i deformaii n structur i masiv. Aceste aspecte fac, ca la ora actual, s nu existe o metod exact pentru calculul intensitii

aciunilor din pmnt, relaiile de calcul utilizate n prezent fiind obinute pe baza prelucrrii rezultatelor ncercrilor de laborator i a observaiilor fcute n urma aplicrii practice.

n continuare se prezint modul de evaluare a ncrcrilor normate pentru diverse aciuni care provoac solicitri n structur.

3.2.1. NCRCAREA DIN GREUTATEA PROPRIE

ncrcarea din greutatea proprie este reprezentat de o ncrcare vertical, uniform repartizat pe lungimea unui tronson cu dimensiunile seciunii transversale i grosimea constant.

Notnd cu nclinarea axului conductei fa de orizontal (Fig.3.1) greutatea pe metru liniar de conduct (g) se descompune:

ntr-o component normal pe axul conductei cosng g = (3.1)

ntr-o component axial n lungul conductei sing g = A (3.2)

Fig. 3.1. Componentele ncrcrii din greutatea proprie


30

Componenta normal gn solicit conducta la ncovoiere, iar componenta axial produce eforturi de compresiune sau ntindere n funcie de sistemul adoptat i ordinea de fixare n masivele de ancoraj.

gA


31

hGreutatea pe metru ptrat de suprafa median poate fi calculat cu relaia:

m mg = (3.3) n care: m - greutatea specific a materialului;

h - grosimea peretelui structurii (tub, canal etc.).

3.2.2. NCRCRI DIN AP

3.2.2.1. GREUTATEA PROPRIE A APEI

ncrcarea din greutatea proprie a apei din conduct reprezint o ncrcare uniform distribuit pe un tronson cu seciune transversal constant. Componenta normal a acestei ncrcri gan produce solicitri de ncovoiere cu fora axial n seciunea transversal a structurii.

Pentru o conduct circular de seciune constant componenta normal a acestei ncrcri este:

2

cos4

ian a

Dg = (3.4) n care: Di este diametrul interior al conductei; a - greutatea specific a apei;

- unghiul de nclinare cu orizontala.

3.2.2.2. PRESIUNEA HIDROSTATIC

Pentru calculul presiunii hidrostatice trebuie cunoscute schemele hidraulice de funcionare a sistemului de alimentare cu ap i liniile piezometrice calculate n funcie de pierderile de sarcin hidraulic i energia hidraulic consumat prin energie cinetic.

n figura 3.2 este artat schema de funcionare a unui sistem de alimentare cu ap prin pompare cu rezervor de trecere n care att aduciunea ct i reeaua de distribuie sunt sub presiune:

Fig. 3.2. Schema de funcionare a unui sistem sub presiune cu rezervor de trecere

Cunoscnd scheme hidraulic se pot calcula presiunile maxime hidrostatice n diverse puncte de pe aduciune sau reeaua de distribuie astfel:


32

H

H

pentru aduciune n punctul A hs a Ap = (3.5)

n care: a este greutatea specific a apei; HA - diferena ntre cota liniei piezometrice corespunztoare punctului de calcul i cota conductei; pentru reeaua de distribuie n punctul B

hs a Bp = (3.6) unde HB - diferena ntre cota maxim a apei din rezervor i cota conductei.

Dup cum se observ presiunea hidrostatic variaz att pe aduciune ct i pe reeaua de

distribuie, funcie de cotele terenului, cota rezervorului, nlimea maxim de pompare. Trebuie remarcat faptul c o parte din energia hidraulic este consumat prin energie

cinetic iar o alt parte pentru nvingerea frecrilor ntre ap i pereii conductei sub form de pierderi de sarcin hidraulic.

Pierderea total de sarcin hidraulic va fi: 2

2 rvHg

= + h (3.7) n care: v este viteza apei; g - acceleraia gravitaional; hr - suma pierderilor de sarcin distribuite i locale.

Pierderile de sarcin distribuite se pot calcula cu relaia: 2

2rvh

d g= A (3.8)

n care: este coeficientul de rezisten hidraulic care depinde de structura micrii i rugozitatea pereilor conductei; d - diametrul conductei; A - lungimea conductei.

Pierderile de sarcin locale 2

2rvhg

= unde depinde de tipul discontinuitii micrii (ngustri sau lrgiri de seciune, vane, coturi etc.).

3.2.2.3. PRESIUNEA MAXIM HIDRODINAMIC ph0 (LOVITURA DE BERBEC)

Prin modificarea brusc sau foarte rapid a regimului de curgere a apei n conducte, datorit manevrelor de nchidere sau deschidere a vanelor sau opririi i pornirii pompelor se produc modificri ale presiunilor care se propag sub form de unde de presiune n lungul conductei.

Valoarea presiunii de oc (H), n m, este dat de diferena dintre presiunile n regim nepermanent i cele n regim permanent.

Dac H > 0 atunci ocul este pozitiv iar dac H < 0 ocul este negativ. nchiderea vanei la consumator provoac n conduct o presiune de oc pozitiv, iar

deschiderea ei, o presiune de oc negativ. Valoarea presiunii de oc este strns legat de rapiditatea nchiderii sau deschiderii vanei,

fa de timpul de propagare a undei de presiune. De asemenea ea depinde substanial i de regimul de nchidere n timp.

Dac timpul de nchidere sau deschidere al vanei este mai mic dect timpul de reflexie al undei, are loc lovitura de berbec direct, iar dac timpul de nchidere este mai mare dect timpul de reflexie, nu se mai atinge valoarea maxim, cazul fiind denumit lovitura de berbec indirect.

Timpul de reflexie pentru o conduct de seciune constant (timpul necesar ca unda de oc s parcurg dublul lungimii conductei) se poate calcula cu relaia:

2r

Ltw

= (3.9) n care: L este lungimea conductei; w - viteza de propagare a undei.

Viteza de propagare a undei de oc ntr-o conduct (din oel, font, beton) cu diametrul i

grosimea peretelui constante se determin cu relaia:

1

cw

E

=+

(3.10)

n care: 1,425gc = = m/s este viteza sunetului n ap; daN/cm42,1 10 = 2 este modulul de elasticitate al apei; E - modulul de elasticitate al materialului din care se execut conducta (Eoel = 2,1 x 106 daN/cm2); - coeficient adimensional care ine seama de deformabilitatea pereilor conductei i care poate fi calculat cu relaiile: - pentru conducte din oel, sticl, cauciuc:

Dh

= (3.11) - pentru conducte din beton:

( )1 9,5D

h = + (3.12)

Presiunea de oc n cazul loviturii de berbec direct sau indirect, trebuie calculat pentru fiecare caz concret n parte, funcie de configuraia sistemului, de ctre specialiti n mecanica fluidelor i hidromecanic.

n conformitate cu datele din lucrrile [6] i [11] se deosebesc trei cazuri pentru calculul presiunii maxime:

CAZUL 1 Dac

0

2 sg hwv

< (3.13) v0 i hs sunt valorile iniiale ale vitezei medii i presiunii n conduct.

nlimea maxim a coloanei de ap corespunztoare presiunii hidrodinamice maxime, se poate calcula din ecuaia:

22

2 02 12

rd d i i

s

vtwh h h hg T g h

+ + 2 0 = (3.14)

n ecuaia (3.14) s-a notat: 0

i sw vh h

g= + = nlimea coloanei de ap corespunztoare unei nchideri instantanee;

T = timpul de nchidere al vanei n [s].

Aciuni i gruparea aciunilor. Calculul intensitii aciunilor 33

CAZUL 2 Dac

0

3 sg hwv

> (3.15) presiunea maxim poate fi determinat din ecuaia:

22 02d d s s

s

L vh h h hg h T

+ + = 2 0. (3.16)

Din cele dou soluii ale ecuaiilor (3.14) i (3.16) soluia cu plus reprezint situaia de nchidere, iar cea cu minus cea de deschidere a vanei.

n figura 3.3 este reprezentat presiunea hidrodinamic pentru cele dou cazuri i cele dou situaii.

Fig. 3.3. Presiunea hidrodinamic


34

CAZUL 3 Dac

0 0

2 3sg h g hwv v

< < s (3.17) presiunea maxim se calculeaz din ecuaia (3.14) dac timpul de nchidere este mai mic dect cel dat de relaia:

( )( )00 2

s

s

wv g h LT

wv g h w< (3.18)

n cazul n care ( )( )00 2s

s

wv g h LT

wv g h w> (3.19)

presiunea maxim se calculeaz din ecuaia (3.16). La punerea n funciune a pompelor, prin deschiderea vanei, presiunea n faa vanei va

scdea sub valoarea presiunii statice deosebindu-se dou cazuri:

CAZUL 1 - cnd 2 LTw

< presiunea hd1 se determin din ecuaia: 2

22 11 12 2

rd d s s

s

v twh h h hg Tg h

+ + 2 0 = (3.20)

unde v1 este viteza medie urmrit a fi realizat n conduct.

CAZUL 2 - cnd 2 LTw

presiunea hd1 se determin din ecuaia: 2

2 11 1 2d d s s

s

L vh h h hg h T

+ = 2 0.

rp

rp

(3.21)

3.2.2.4. PRESIUNEA DE PROB

nainte de darea n exploatare, sistemele structurale de transport al apei trebuiesc probate. Proba de presiune se poate executa pe tronsoane att la conducte ct i la canale colectoare

prin introducerea unei presiuni interioare pi mai mare dect presiunea de regim (pr). La conducte presiunea de prob pi va avea urmtoarele valori:

2ip = dac 5 daN/cmrp < 21,5ip = i minimum 10 daN/cm2 dac 5 daN/cmrp 2

n cazul canalelor colectoare presiunea de prob pi va fi egal cu: ;i a cp H= unde Hc este nlimea coloanei de ap ntre radier i

cota superioar a cminului.

3.2.2.5. MODALITI DE ACIUNE A PRESIUNII APEI ASUPRA STRUCTURILOR PENTRU TRANSPORTUL APEI

Presiunea apei asupra structurilor pentru transportul apei acioneaz asupra sistemului structural astfel:

ca o presiune interioar normal pe pereii conductelor, canalelor colectoare sau a galeriilor;

ca o ncrcare axial care poate fi provocat de una din urmtoarele cauze:


35

a) la nchiderea unei vane, amplasat pe traseu, acioneaz o for axial

2

4v adP = sh (3.22)

d - diametrul interior al conductei; hs - nlimea piezometric; a - greutatea specific a apei. Aceast for axial va produce eforturi de ntindere n conduct numai dac ntre van i

masivul de ancoraj din amonte nu este amplasat un compensator de dilataie. b) prin modificarea diametrului conductei.

Dac trecerea de la diametrul d1 la diametrul d2 se face printr-un tronson conic de lungime Ac

fora axial pe inelul median se calculeaz cu relaia: ( )2 21 24

d dP

= p (3.23) unde p este presiunea corespunztoare centrului de greutate al trapezului.

c) prin introducerea de coturi la schimbarea de direcie n plan sau pe vertical (Fig.3.4) n coturile conductei apare o for rezultant Rc dirijat nspre exteriorul curburii, mrimea

i direcia rezultantei determinndu-se calculnd forele de presiune din seciunile de capt ale cotului:

2 21 2

1 1 2;4 4a ad dP H P = = 2H

2 21 2 1 22 coscR P P PP = + + (3.24)

De asemenea n coturi, datorit curgerii apei dup o traiectorie circular, apare o for

centrifug dirijat dup bisectoarea unghiului la centru al cotului atunci cnd diametrul conductei este constant.

Fora centrifug corespunztoare unui element de volum de mas dm este:


36

2 2 2

.4c

v dm v ddF R dR R g

= = (3.25) Rezultanta forelor elementare dFc va fi fora centrifug din cot:

2 2

cos cos4c c

v dF dF R dR g

= = (3.26)

Fig. 3.4. Fore n coturi

Fig. 3.5. Fora centrifug


37

( )( )2 22 2sin sin sin4 4cd dF v v

g g

= = 2

22 sin .4cdF v

g = (3.27)

Pentru a putea calcula cu mai mult uurin starea de eforturi adeseori este necesar descompunerea funciei presiunii hidrostatice n dou componente:

component variabil corespunztoare gradului de umplere unu; o component constant egal cu presiunea corespunztoare nlimii coloanei de ap

cuprins ntre cheie i nivelul maxim. Exemplificm aceast descompunere pentru un canal colector de forma unui clopot circular

ce poate intra sub presiune (vezi figura 3.7).

Fig. 3.6. Seciune longitudinal printr-un canal circular ce poate intra sub presiune

cu nivelul maxim al apei pn la cota terenului

3.2.3. PRESIUNEA VERTICAL A PMNTULUI DE UMPLUTUR

n ceea ce privete aciunea pmntului de umplutur, n literatura de specialitate, nu exist o unitate de vedere, propunerile privind calculul acestei aciuni diferind de la ar la ar, de la autor la autor.

Din multitudinea propunerilor fcute de diveri cercettori s-au reinut n aceast lucrare propunerile firmei SENTAB i a normativului romnesc avnd indicativul I22-84 Normativ privind proiectarea i executarea conductelor de ap i canalizare, realizate din tuburi de beton precomprimat.

Aciunea pmntului de umplutur se poate descompune n dou componente i anume: componenta corespunztoare greutii pmntului de umplutur cuprins ntre

generatoarea superioar i diametrul orizontal;


38

a doua component dat de pmntul de umplutur situat deasupra generatoarei superioare determinat funcie de modul de pozare al conductelor sau canalelor: n tranee sau n ramblee.

Fig. 3.7.

SECIUNEA 1-1 Variaia presiunii hidrostatice corespunztoare unei nlimi

a coloanei de ap pn la nivelul terenului

Componenta constant corespunztoare nlimii

coloanei de ap cuprins ntre cheie i nivelul terenului

natural

Componenta variabil corespunztoare gradului de

umplere unu


39

3.2.3.1. GREUTATEA PMNTULUI DE UMPLUTUR CUPRINS NTRE GENERATOAREA SUPERIOAR I DIAMETRUL ORIZONTAL

Aceast ncrcare poate fi exprimat ca o funcie de una sau mai multe variabile n raport cu forma structural.

Pentru o conduct avnd seciunea transversal circular funcia ncrcrii poate fi

exprimat cu relaia:

( ) (1 cospp R = ) (3.28) Rezultanta ncrcrii Pv va fi:

( )2

0

2 1 cos cosv pP R R

= d (3.29)

( )22 20

2 cos cosv pP R

= d 2

2

0

sin 22 sin2 4v p

P R = +

2 22 1 24 2v p p

P R R = =

2 2

2v pP R =

(3.30)


40

Pentru un canal colector de tip clopot semieliptic este necesar ca funcia ncrcrii s fie definit pe dou intervale distincte.

41 48'37,13"48 11'22,87"

==

D

D

( ) ( ) (0, 25 1 cos sin sinH R R = + )

Funciile ncrcrii pe cele dou intervale vor fi: pe intervalul 0

( ) (0, 25 1 cospp R = ) (3.31) pe intervalul 0

( ) ( )0, 25 1 cos sin sinpp R = +

(3.32) Rezultanta total a ncrcrii va rezulta prin integrare:

( )

( )

2

0

2

0

2 0, 25 1 cos cos

2 0,25 1 cos sin sin cos

v p

p

P R d

R d

= +

+

(3.33)

3.2.3.2. PRESIUNEA VERTICALA A PMNTULUI DE UMPLUTUR CUPRINS NTRE GENERATOAREA SUPERIOAR I NIVELUL TERENULUI NATURAL

Aceast presiune se modeleaz ca o ncrcare uniform distribuit cuprins n planul orizontal ce conine generatoarea superioar i se determin n funcie de modul de pozare (n rambleu sau n tranee) i caracteristicile fizico - mecanice i de compresibilitate ale pmntului.

n figurile 3.8 3.11 sunt artate diferite modaliti de pozare a structurilor pentru transportul apei.


41

Fig. 3.8. Conducte pozate n tranee

Fig. 3.9. Galerie cu dou compartimente pozat n tranee


42

a) b)

Fig. 3.10. Canale colectoare pozate n tranee: a - canal clopot circular; b - canal ovoid

Fig. 3.11. Conducte pozate n rambleu

O structur pentru transportul apei: conduct circular, galerie, canal colector se consider pozat n tranee dac sunt ndeplinite urmtoarele condiii:

a) . 2 ; 1,5B L H B5b) . 2 3 ; 3,L B L H B<

n cazul n care condiiile la limit ale rapoartelor B/L i H/B sunt apropiate, presiunea vertical pv se calculeaz att pentru condiiile de pozare n tranee, ct i pentru condiiile de pozare n rambleu, reinndu-se n final valoarea cea mai mic din cele dou valori calculate.

Presiunea vertical a pmntului de umplutur pentru structuri pozate n tranee se determin cu relaia:

vt T pp C H= (3.34) unde:

p - greutatea specific a pmntului; L - diametrul conductei, limea galeriei conform fig. 3.8-3.11; B - limea de calcul a traneei conform fig.3.8-3.11;


43

H - nlimea pmntului de umplutur ntre suprafaa terenului i faa superioar a casetei sau generatoarea superioar a conductei; CT - coeficient determinat n funcie de raportul dintre nlimea umpluturii H i nlimea planului de egal tasare H0. Dac nlimea umpluturii este mai mic dect nlimea planului de egal tasare, H < H0,

coeficientul CT se calculeaz cu relaia: 2

1

2

HkB

TeC Hk

B

=

(3.35)

Dac nlimea umpluturii este mai mare dect nlimea planului de egal tasare, H > H0, coeficientul CT se calculeaz cu relaia:

0

0

202

1 2 1

2

HkB

HkB

T

Hk eBC e Hk

B

+ =

(3.36)

nlimea planului de egal tasare, H0 se determin prin rezolvarea iterativ a ecuaiei: 02 02 2

HkB

sHe k k r pB

+ =1 0

(3.37)

n relaiile (3.35), (3.36), (3.37) s-a notat: tg = (unde este unghiul de frecare interioar a pmntului)

2tg 452

k = D

rs - coeficientul de tasare ncovoiere al structurii i pmntului din jurul ei, ce poate fi considerat cu valorile din tabelul 3.3 p - raportul dintre nlimea structurii n contact cu pmntul de umplutur i diametrul exterior al conductei sau limea (L).

Tabelul 3.3. Valorile coeficientului de tasare ncovoiere

Modul de fundare Valoarea coeficienilor rsStructuri fundate pe stnc sau terenuri cu tasri foarte mici 1,00

Structuri fundate pe terenuri obinuite 0,70 Structuri fundate pe terenuri cu tasri mari 0,30

Pentru valorile k din tabelul 3.4 coeficientul CT se poate lua din diagrama nr. 1.

Tabelul 3.4. Valorile aproximative k pentru diferite tipuri de pmnturi Tipul de pmnt Valorile

Documents

Calculul Structurilor pentru Transport Apa