پارامترهای تاثیر گذار در مقاومت مکانیکی لوله کاروگیت

پیشتر در صفحه لوله کاروگیت اطلاعات کاملی در این مورد این مدل از لوله ها بدست آوردیم. در این مقاله به بررسی عددی و تجربی تأثیر بار ترافیک بر روی لوله‌های پلی اتیلن دو جداره HDPE می پردازیم.

لوله های دو جداره پلی اتیلن (HDPE) با چگالی بالا ملقب به لوله کاروگیت به طور گسترده ای در شبکه های زهکشی شهری استفاده می شوند. ویژگی های خاک اطراف بستر لوله، عمقی که لوله در آن دفن شده، تراکم پساب، نوع روسازی و طراحی روسازی و بارهای ترافیکی از مهمترین عواملی هستند که بر تنش و تغییر شکل لوله ها تأثیر می گذارند.

در این مقاله، از مدل عناصر محدود ABAQUS 3D برای تجزیه و تحلیل تأثیر بارهای ترافیکی، قطر و سختی حلقه بر روی مشخصات مکانیکی لوله HDPE استفاده شده است.

همچنین برای بررسی صحت نتایج شبیه سازی، یک سری آزمایشات در مقیاس وسیع انجام شده است.

در شرایط نرمال آزمایش نتایج زیر را نشان داد:

1. تنش Von-Mises لوله که عمدتا توسط فشار زمین در تاج تعیین می شود و تنش ناشی از تراکم پر کردن لوله، به طور قابل توجهی هنگام پر کردن اطراف لوله، افزایش یافت اما مدت زمان کوتاهی داشت و تأثیر محدودی بر روی لوله گذاشت.
2. بار ترافیکی به تنهایی تأثیر کمی بر رفتار مکانیکی لوله داشت: در حالی که تحت عمل پرشدن اطراف لوله، تراکم مواد کم باشد، لوله ها حساس تر به پاسخ بار ترافیک خواهند بود.
3. نوسانات در تنش فون میزس لوله به طور عمده به تعداد و سرعت بار ترافیکی بستگی دارد.
4. برای لوله های با قطر کوچک، پساب غیر متراکم به راحتی باعث افزایش تنش در لوله می شود، در حالی که درجه تراکم پساب تقریباً همان تأثیر را در توزیع تنش برای لوله هایی با سختی حلقه متفاوت ایجاد می کند.

معرفی لوله دوجداره پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)

نوعی لوله انعطاف پذیر است که نقش مهمی در مهندسی شهرسازی و شبکه آب و فاضلاب ایفا کرده است. از آنجا که سختی لوله ها از خاک اطراف آن کمتر است، هنگامی که فشار(P) و نیرو (F)به سطح خاک وارد می شود، انحراف نسبی منشور خاک مجاور، کمتر از منشور تحت نيروي اصطكاك بالا قرار مي گيرد؛ و فشار از سمت زمینی که بر روی لوله قرار دارد، وارد می شود کمتر از وزن منشور مرکزی خاک است.

بنابراین، رفتار سازه ای یک لوله انعطاف پذیر کاروگیت مدفون، تحت تأثیر سفتی حلقه‌های آن، خود لوله و سفتی و تراکم موادی که اطراف آن با آن پرشده، بستگی دارد. سفتی مواد اطراف لوله به تراکم و مقدار آب و خصوصیات خاک منطقه بستگی دارد بنابراین، تأثیر زمینی که بالای لوله قرار دارد و باعث تغییر شکل لوله پلی اتیلن می شود و نیرو وارد میکند را نمی توان نادیده گرفت.

کشف نقطه نهایی فشار جهت دفرمگی لوله کاروگیت

نیروی وارد شده به لوله را می توان به بار وارد شده از سمت خاک و بار خارجی تقسیم کرد و همچنین، تحت شرایط مختلف نوع خاک پروژه لوله گذاری، نیروی منتقل شده از اطراف به لوله متفاوت است.

در هنگام نصب یک لوله، تغییر شکل های احتمالی بوجود آمده در لوله کاروگیت میواند ناشی از روش تراکم، تجهیزات مورد استفاده در پروژه، عرض کانال حفاری شده، متریال بکفیل که اطراف لوله قرار می گیرد، ضخامت پوشش لوله، مواد مورد استفاده در تولید لوله، قطر لوله و سختی حلقوی لوله از عوامل تاثیر گذار هستند.

مطالعات دانشمندان این رشته راجع به تغییر شکل لوله انعطاف پذیر کاروگیت در هنگام نصب آن، منجر به کشف فرمولی برای محاسبه نقطه نهایی انحرافات شده است.

بر اساس داده های آزمون میدانی و داده های شبیه سازی عددی، دانشمندان فرمول محاسبه ای را برای انحراف لوله پیشنهاد دادند.

آنها از طریق آزمایشات میدانی برای لوله HDPE در حین پر کردن مجدد، انحراف و مقاومت حلقوی را اندازه گیری کردند. آنان فشار تولید شده در طی فرآیند پر کردن لوله و رابطه تجربی را با سویه های حلقوی تولید شده در لوله‌های HDPE در مرحله ساخت را پیش بینی کردند.

برای یک لوله انعطاف پذیر کاروگیت دفن شده در زمین با فشردگی نامتقارن، پشتیبانی ضعیف روی خطوط فنر به افزایش جابجایی جانبی لوله منجر می شود.

دانشمندان در سال 2011 فرمول جدیدی را برای اندازه گیری فشار اعمال شده به یک لوله مدفون و انحراف تماس شعاعی و انحراف لوله تحت بارگذاری عمودی استاتیک طراحی کردند و نتایج اندازه گیری نشان داد که فشار تماس شعاعی و انحراف لوله به روش های تراکم و اندازه تراکم حساس است.

در سال 2012 پژوهشگران از طریق یک سری آزمایشات آزمایشگاهی بر روی HDPE لوله های مدفون در ماسه، با درجه بندی ضعیف و تراکم های مختلف متوجه شدند که تنش و تغییر شکل از این لوله ها هنگام نرم بودن مصالح بکفیل اطراف لوله بیشترین تنش در قسمت بالای آن است که در حالت معکوس ظاهر شد، در حالی که تنش تاج و تنش وارونگی هنگام پر شدن بیشتر بود. علاوه بر این، روش نصب و نوع مواد پر کننده از عوامل کلیدی هستند.

تعیین حداکثر کرنش خمشی موضعی در روش طراحی لوله به شکل خاص با رواج نرم افزار تحلیل گر برای محاسبه تغییر شکل لوله به طور گسترده ای صورت گرفته است.

محققان برای محاسبه انحراف و کرنش های محیطی یک لوله ترموپلاستیک پروفیل در سال 2004 از یک مدل دو بعدی (2D) استفاده کردند.

تعیین مقاومت مکانیکی مورد نیاز لوله‌های دوجداره فاضلابی

نتایج شبیه سازی نشان داد که هنگامی که خاک نرم در زیر لوله قرار گرفت، تنش لوله در نزدیکی ناحیه زیر خاک نرم متمرکز شد و تأثیر قطر لوله، ضخامت، عمق مدفون، زاویه اصطکاک و تراکم پساب در کرنش خمشی لوله مشخص شد.

نتایج شبیه سازی نشان داد که تغییر شکل لوله کاروگیت نسبت به دفن شدن حساس است همچنین عمق و نوع پر کردن مجدد نیز موثر اند.

با توسعه راه ها و حمل و نقل، بار ترافیکی به یکی از موارد مهم تغییر شکل لوله تبدیل شده است.

در سال 2012 یک سری از محققان یک مطالعه میدانی مشابه در مورد لوله های پی وی سی یا لوله پلیکا مدفون انجام دادند و آزمایش نشان داد که لوله پی وی سی دفن شده در پساب خاکستر مایع، ایمن است.

در حال حاضر هنگام مشاهده تأثیر بارهای ترافیکی بر لوله ها بار ترافیک اغلب بدون در نظر گرفتن ساختار روسازی به بار استاتیک ساده می شود که منجر به تغییر شکل لوله می گردد ولی با بار واقعی ترافیک مغایرت ندارد.

بسیاری از محققان بر این باورند که ساده شدن بار ترافیکی به بار استاتیکی، منجر به افزایش تغییر شکل لوله می شود.

با این حال در سال 2017 یک سری از آزمایشات بار ترافیک بر روی خاک رس انجام گرفت و دریافتند که بار عمودی تولید شده توسط بار دینامیکی بیشتر است (بیش از سه برابر بار استاتیکی)

در دهه 1960، چهارمین تئوری ارائه شده توسط انجمن کارگران بزرگراه بین ایالتی آمریکا (AASHO) نشان داد که بار محور برای شبیه سازی بار ترافیک در شرایط بار محور کم سرعت و سبک مناسب تر است.

برای لوله بتنی، نتایج شبیه سازی المان، نشان داد که تغییر شکل لوله هنگامی که عمق دفن لوله 1.5 برابر بیشتر از قطر لوله باشد، می توان بار خودرو را نادیده گرفت.

در عین حال محققان دریافتند که لوله های کاروگیت در هنگام فشرده شدن متریال بکفیل کمتر تحت تأثیر بارهای خارجی قرار گرفته و کمتر تغییر شکل می دهند.

لوله کاروگیت دو جداره با دقت و به صورت خاصی طراحی شده است که شکل مقطع دیواره خارجی لوله با کارایی بالا و دوام فوق العاده ارائه میشود، بنابراین وزن این لوله ها زیاد نبوده و لوله های دو جداره با همان سختی حلقه ای تولید میشوند.

برای جایگزینی لوله پروفیل در فضای دوبعدی می توان از یک لوله پلی اتیلن دو جداره با سختی حلقه ای ثابت استفاده کرد زیرا مدل متناهی آن در آزمایشات صحرایی ثابت کرده است که این مدل برای انحراف و فشار و همچنین پاسخ مکانیکی بار های خارجی مناسب است.

اگرچه پلی اتیلن با چگالی بالا یک ویسکو پلاستیک است ولی مواد در مدل الاستیک جابجایی محوری لوله را محدود کرده اند و هشت گره عناصر پوسته ادغام کاهش یافته است.

در هنگام پر کردن اطراف لوله با خاک، خاک بار مرده روی لوله وارد می کند، سختی کم لوله های کاروگیت تحت فشار جانبی زمین مستعد تغییر شکل هستند.

معیار Mohr-Coulomb بین تنش عمودی خاک و تنش افقی جانبی خاک این رابطه را بیان میکند:

σh = σv (1 + sin θ) / (1 1 sin θ) + 2c (1 + sin θ) / (1 1 sin θ) (3

که در آن σh تنش افقی، σv تنش عمودی، c انسجام خاک و θ اصطکاک است زاویه خاک برای ساده سازی محاسبه، انسجام (c) شن و ماسه به عنوان پس زدن 0 در نظر گرفته شده است.

با استفاده از ABAQUS برای تجزیه و تحلیل تغییر شکل لوله در طول فرایند مونتاژ برای شبیه سازی فشار زمینی جانبی روی لوله، بار افقی به اتصالات لوله وارد شد در طی فرآیند تراکم و نتایج شبیه سازی با استفاده از داده های منتشر شده تأیید شد و صحت روش امتحان شده را ثابت کرد.

فشرده بودن لایه ملافه (L1) و لایه‌های پر کننده جانبی (L2 و L3) تأثیر قابل توجهی برای اندازه گیری بر تنش دارند.

این مقاله به تأثیر پر کردن مواد متمرکز شده در اطراف لوله می پردازد و نشان میدهد فشردگی L1 ، L2 و L3 در تنش لوله موثر است و پارامترهای مکانیکی خاک با درجه تراکم و مدول الاستیک متفاوت است که بیشترین تأثیر را در تعامل بین خاک و لوله دارد.

متداول ترین حالت خرابی لوله های کاروگیت انعطاف پذیر مدفون، خرابی شکل پذیر است زیرا لوله ها پس از تحمل بار پایدار طولانی مدت آسیب میبینند.

فرمول فون میزس بیان می کند که چه زمانی فشار به یک مقدار خاص وارد شده به حالت تنش می رسد و بازده مواد چیست و چگونه تنش Von-Mises به وجود می آید.

مطالعات قبلی بر روی محیط پیرامونی تمرکز داشتند و تنش و تغییرات قطر لوله برای نشان دادن تغییر شکل لوله در مقایسه با فشار واقعی، تنش von-Mises را به طور جامع تر نشان می داد و باعث تغییر شکل آن میشد.

مواد در جهات مختلف، و ارزیابی خرابی شکل لوله ها دقیق تر است. بنابراین، منطقی است که تنش Von-Mises را به عنوان پارامتری در نظر بگیریم که تغییر شکل آن را نشان می دهد.

هنگامی که لوله کاروگیت به عنوان یک لوله دیواره مستقیم در نظر گرفته می شود، توزیع تنش محوری بخش خاصی از لوله را نمی توان بدست آورد بنابراین تنش Von-Mises برای تعریف تغییر شکل لوله مناسب تر از تنش واقعی است.

در آزمونها در زیر بخشهای زیر توضیح داده شد، فشار Von-Mises توسط ABAQUS محاسبه و تولید شد که می تواند برای پیش بینی موقعیت های خطرناکی از جمله ترکیبی از خاک نرم پر شده اطراف لوله و بارهای ترافیکی که لوله به احتمال زیاد تحت تاثیر آن قرار میگیرد، به وجود آید.

استرس Von-Mises در بخشی از طول لوله که نیمی از طول لوله را شامل می شود برای تجزیه و تحلیل انتخاب شد تا تأثیر تنش را از بین ببرد ولی نتیجه محاسبه دوباره به خط چشمه نزدیک نشده و لوله فقط تحت تأثیر فشار جانبی زمین قرار گرفت. با افزایش ضخامت پسریز، فشار زمینی که بر روی لوله تأثیر می گذارد افزایش می یابد.

در نتیجه به طور کلی، حداکثر تنش و تغییر شکل لوله های کاروگیت با افزایش قطر افزایش می یابد ؛ بنابراین می توان استنباط کرد که لوله های HDPE با قطرهای مختلف پاسخ های متفاوتی به بار ترافیک در شرایط یکسان خاک اطراف لوله می دهند.