بارهای ریلی و سربارها
بخش پنجم : بارهای ریلی و سربارها
تنظیمات بار زنده که برای لوله های زیر خطوط ریلی مورد استفاده قرار می گیرند، بارگذاری Cooper E-80 است که دارای 80،000 پوند بار است که بصورت یکنواخت در 5 مرکز روی 3 سطح تماس 2 فوت در 8 فوتی وارد می شوند. این مساحت بیانگر عرض استاندارد ریل ( 8 فوت) و فاصله استاندارد بین چرخ های پیشرانه لوکوموتیو است. بارهای زنده ریلی بر اساس وزن محوری وارد بر مسیر بوسیله دو لوکوموتیو و واگن های جفتی آن ها در آرایش دوسره شکل می گیرند. جدول 6- 20 را ببینید. اغلب لوله های تحت فشاری که در محدوده 25 فوتی مسیرهای ریلی قرار دارند، اساسا برای حفظ ایمنی در هنگام بروز نشتی احتمالی، نیازمند لوله های محافظ 1 هستند. طراح باید با توجه به الزامات طراحی و قانونی نسبت به ضرورت یا عدم ضرورت نصب لوله های محافظ تصمیم گیری کند.
همچنان با شرکت توسن صنعت آپادانا تولیدکننده و ارائه کننده انواع لوله های پلی اتیلن، لوله آبیاری، نوار آبیاری و لوله دریپردار همراه باشید.
سربار
سربارها می توانند بارهای توزیع شده مثل شالوده، پی ساختمان یا تلی از خاکستر باشند و یا بارهای متمرکز مثل چرخ یک خودرو باشند. بارها در خاک پخش می شوند، چنانکه با افزایش عمق یا افزایش فاصله از محدوده اعمال سربار، فشار کاهش پیدا می کند. حتی سربارهایی که مستقیماً روی بار قرار ندارند هم می توانند به لوله فشار وارد نمایند. فشار در نقطه ای زیر سربار به بزرگی بار و مساحت سطحی که سربار به آن وارد می شود، بستگی دارد. روش های محاسبه فشار عمودی بر لوله ای که مستقیما زیر سربار و یا در نزدیکی سربار قرار گرفته است، در زیر آمده اند.
لوله هایی که مستقیماً زیر سربار قرار دارند
این روش طراحی برای یافتن فشار عمودی خاک زیر مساحتی مستطیلی شکل است که سربار با توزیع یکنواخت به آن اعمال می شود. از این روش می توان بجای جدول 6- 18 تا جدول 6- 20 و معادلات 6- 46 و 6- 48 در محاسبه فشار عمودی خاک ناشی از بار چرخ وسایل نقلیه استفاده کرد. این روش نیازمند داشتن اطلاعات درباره مساحت لاستیک و فاکتور ضربه است.
فشار نقطه ای وارد بر لوله در عمق H با تقسیم مساحت مستطیلی سربار ( ABCD ) به 4 مستطیل زیر ناحیه ( c ،b ،a و d) که رأس مشترکی به نام E در حیطه سربار و روی لوله دارند، بدست می آید. فشار سربار، PL ، در نقطه ای مستقیما زیر نقطه E برابر با مجموع فشارهای ناشی از هر یک از 4 بار زیر ناحیه است به شکل 6 – A – 7 مراجعه کنید.
فشار ناشی از هر زیرناحیه را می توان با ضرب فشار سربار در »مقدار مؤثر IV ،«1 ، محاسبه کرد. مقادیر مؤثر، ثوابت تناسبی هستند که میزانی از بار سطحی را که به یک نقطه خاص می رسد، نشان می دهند. این مقادیر از معادله بوسینسک حاصل و در جدول 6- 21 ارائه شده اند.
که در آن:
PL = فشار عمودی خاک ناشی از سربار، lb/ft2
pa = فشار ناشی از زیر ناحیه lb/ft2 ،a
pb = فشار ناشی از زیر ناحیه lb/ft2 ،b
pc = فشار ناشی از زیر ناحیه lb/ft2 ،c
pd = فشار ناشی از زیر ناحیه lb/ft2 ،d
فشار ناشی از سربار اعمال شده به زیر ناحیه i ام برابر است با:
که در آن:
IV = مقدارمؤثر از جدول 6- 21
wS = فشار توزیع شده سربار در سطح زمین، lb/ft2
اگر هر 4 زیر ناحیه با هم برابر باشند، معادله 6- 50 به فرم زیر ساده می شود:
مقدار مؤثر به ابعاد ناحیه مستطیلی شکل و عمق قرار گرفتن تاج لوله، H، بستگی دارد. عبارت های بکار رفته در جدول 6- 22 با عنوان »مقادیر مؤثر « که در شکل 6- 7 نشان داده شده اند، به این شرح هستند:
H = عمق پوشش، فوت
M= فاصله افقی بین مرکز بار تا لبه بار در راستای عمود بر خط مرکزی لوله، فوت
N= فاصله افقی بین مرکز بار تا لبه بار در راستای موازی با خط مرکزی لوله، فوت
برای یافتن مقادیری که در جدول 6- 21 ارائه نشده اند می توان از درون یابی استفاده کرد. مقدار مؤثر، بیانگر بخشی (یا اثری) از بار است که به عمقی مشخص در زیر گوشه ناحیه تحت بارگذاری می رسد.
مثال شماره 1 سربار عمودی
بار ناشی از سربار عمودی شالوده 6 × 4 فوتی به بزرگی 2000 lb/ft2 را که در شکل زیر نشان داده شده است، بیابید.
راه حل: از معادلات 6- 49 و 6- 50 ، جدول 6- 21 و شکل 6- 7 استفاده کنید. شالوده 6 × 4 فوتی به 4 زیر ناحیه تقسیم می شود، بطوریکه رأس مشترک هر 4 زیر ناحیه، مستقیما روی لوله قرار گیرد. از آنجا که لوله در زیر بار تمرکز ندارد، زیر ناحیه های a و b ابعادی برابر با 5/ 3 × 2 فوت و ابعاد زیر ناحیه های c و d برابر با 5/ 3 × 1 فوت است.
ابعاد N ،M و H هر یک از زیر ناحیه ها را بدست آورده و با توجه به آن ها مقادیر M/H و N/H را محاسبه کنید. مقدار مؤثر را از جدول 6- 21 بیابید و سپس مقدار pc ،pb ،pa و pd زیر ناحیه ها را محاسبه کرده و به منظور تعیین PL آن ها را با هم جمع کنید.
بنابراین،
لوله ای در همسایگی و نه مستقیما زیر یک سربار
از این روش طراحی می توان برای یافتن بار وارد بر لوله از طرف سربارهایی استفاده کرد که در نزدیکی لوله و نه مستقیماً روی آن قرار گرفته اند و بصورت یکنواخت روی سطحی مستطیلی توزیع شده اند. مثال هایی از چنین سربارهایی عبارت اند از بلوک های بتنی، شالوده ها و طبقه ها و یا هرگونه باری با سطح مقطع مستطیلی شکل، مانند بار وارده از چرخ خودرویی که مستقیماً روی لوله قرار نگرفته است.
برای یافتن فشار عمودی، ابتدا یک ناحیه باری فرضی را که لوله را پوشش می دهد، در نظر می گیریم و سپس فشار سربار ناشی از کل بار (واقعی و فرضی) را بر اساس معادلات و جداول بخش های قبل، محاسبه می کنیم و در نهایت با کم کردن فشار ناشی از بار فرضی از فشار ناشی از کل بار، فشار ناشی از سربار حاصل می شود. به شکل 6- B -7 نگاه کنید. از آنجاییکه هیچگونه سرباری مستقیما بالای خط مرکزی لوله قرار نگرفته است، یک سربار فرضی با فشار وارد بر واحد مساحت یکسان با بار واقعی، که بر زیر ناحیه های c و d وارد می شود را در نظر می گیریم. فشار سربار زیر ناحیه های a + d و b + c محاسبه می شود، سپس سربار ناشی از زیر ناحیه های c و d از مقادیر محاسبه شده قبلی کسر می شوند تا فشار سربار واقعی بر لوله بدست آید.
که در آن:
pa+d = سربار ناشی از ترکیب زیرناحیه های a و lb/ft2 ،d
pb+c = سربار ناشی از ترکیب زیرناحیه های b و lb/ft2 ،c
مثال شماره 2 سربار عمودی
فشار سربار عمودی ناشی از بلوک 10 × 6 فوتی با بزرگی 2000 lb/ft2 را که در شکل زیر نشان داده شده است، پیدا کنید.
راه حل: از معادلات 6- 50 و 6- 52 ، جدول 6- 21 و شکل 6- B -7 استفاده کنید. مساحت سر بار به 2 زیر ناحیه a و b تقسیم می شود. مساحت بین سربار و خط تاج لوله هم به 2 زیر ناحیه c و d تقسیم می شود. بار فرضی به زیر ناحیه های c و d وارد می شود. در مرحله بعد، 4 زیر ناحیه را مربوط به یک سربار کلی منظور می کنیم. برخلاف مثال قبل، لوله به جای قرار گرفتن در زیر مرکز مساحت سربار، زیر گوشه مساحت سربار قرار گرفته است. بنابراین فشار سربار زیر ناحیه های ترکیبی a + d و c + b و سپس زیر ناحیه های c و d بدست می آید. فشار سربار برابر است با جمع فشار سربار زیر ناحیه های a + d و b + c منهای فشار فرضی ناشی از سربارهای فرضی زیرناحیه های c و .d
بنابراین،
عکس العمل لوله نسبت به بار وارده از طرف زمین، بار زنده و سربار
اکنون زمان مناسبی برای بازبینی »فرآیند طراحی « است که پیش از این در بخش 3 این فصل توضیح داده شد. بعد از محاسبه فشار عمودی وارد بر لوله، مرحله بعد شامل انتخاب یک لوله (پروفیل یا DR ) آزمایشی است. سپس بر اساس دسته بندی نوع نصب ونوع و تراکم ماده پرکننده، خمش ایجاد شده و مقاومت شکستگی و اعوجاج محاسبه می شوند.
دسته بندی نصب استاندارد به لوله هایی اطلاق می شود که در عمق 18 تا 50 فوتی نصب شده اند. لوله در مواقعی که سربارها، بار ناشی از عبور و مرور و خطوط ریلی وجود دارند، باید حداقل به اندازه یک قطر، پوشش داشته باشد. اگر تأمین چنین پوششی امکان پذیر نباشد، باید الزامات دسته بندی »نصب با پوشش کم عمق و تحت بار وسایل نقلیه « مد نظر قرار گیرد. در جاهایی که عمق پوشش از 50فوت تجاوز می کند، باید تمهیدات دیگری در زمینه بار مرده، تحت شرایط دسته »نصب در خاکریز عمیق « در برنامه قرار بگیرد. در مواقعی که لوله زیر رودخانه یا مناطق آبی قرار بگیرد و لوله دارای پوششی کمتر از 2 برابر قطرش باشد، ممکن است احتمال شناور شدن یا حرکت رو به بالای لوله وجود داشته باشد. بخش »آثار شناور شدن بدلیل پوشش کم عمق « را ببینید.
اگرچه نصب استاندارد برای پوشش هایی با عمق تا 50 فوت مناسب است، می توان از این روش نصب برای پوشش بیشتر (عمق بیشتر) هم استفاده کرد. این حد 50 فوتی بر اساس حد پیشنهادی آ. هوارد 1 ( 3) در استفاده از مقادیر E? ، تعیین شده است. در اعماق بیش از 50 فوت، مقادیر E? داده شده در جدول B.1.1 ضمیمه فصل 3 بسیار محافظه کارانه اند زیرا در آن ها اثر افزایش سفتی مواد پر کننده با افزایش عمق که بدلیل ایجاد فشار همه جانبه بیشتر در جرم خاک بوجود می آید، منظور نشده است. بعلاوه در اعماق بیش از 50 فوت، کمانش زیادی بوقوع می پیوندد.
روش نصب استاندارد، مثل سایر دسته های طراحی لوله های پلی اتیلن مدفون، به لوله مانند یک حلقه یا محیطی از سطح مقطع لوله نگاه می کند و از بارگذاری های طولی که معمولآً ناچیز هستند، چشم پوشی می نماید. همچنین در این روش ها از حفظ شکل دایره ای سطح مقطع لوله در اثر فشار داخلی لوله صرفنظر می شود. بعبارتی سیال عبورکننده از درون لوله فشاری در جهت عکس فشار خاک و عمود بر دیواره لوله اعمال می کند و لوله را به شکل دایره ای نگه می دارد. در این قسمت از این تأثیر که به گردسازی مجدد 2 از آن نام می بریم، صرفه نظر شده اما از آنجا که این اثر باعث کاهش خمش و تنش در لوله می شود، صرفنظر کردن از آن، اقدامی محافظه کارانه است.
