Statický výpočet nádrží z termoplastů

1. Úvod

Dnes je již naprosto běžné používání termoplastů jako konstrukčního materiálu při výrobě nejrůznějších konstrukcí a zařízení. Takovou nejběžnější konstrukcí jsou nádrže pro nejrůznější použití. Základní rozdělení nádrží z pohledu statického dimenzování je podle místa jejich konečného osazení. Tzn. zda se jedná o nádrž nadzemní, používanou jako zásobník posazený na podlaze, nebo zda je to nádrž podzemní, umístěná a zasypaná pod terénem. Pochopitelně v obou případech musíme brát v úvahu jiné zatěžovací stavy působící na konstrukci nádrže.

Dříve než přistoupíme k řešení samotného problému, je třeba získat o navrhovaném zařízení všechny technické a technologické podmínky, které jsou nezbytné pro úspěšné provedení požadovaného konstrukce. Od návrhu, přes posouzení až po samotnou výrobu.

V Příloze 1 je uveden příklad rozsahu nutných informací.

2. Nejdůležitější údaje:

1.1 Teplota

Pro dimenzační návrh konstrukce je zcela dominantní vliv teploty, na kterou má být patřičná konstrukce dimenzována. Je také velmi často limitujícím faktorem pro použitelnost uvedených termoplastů. Spolu s životností určuje hranice hospodárnosti. Tak například při životnosti konstrukce 25 roků (běžný požadavek na funkčnost stavebních konstrukcí) se považuje teplota 50° C za maximální. Je samozřejmě možné navrhovat konstrukce i pro vyšší teploty, avšak za cenu zkrácení životnosti, nebo neúměrného zdražení výrobku nutným předimenzováním konstrukce.

Při venkovní montáži (působení slunečního záření) uvádí odborná literatura [7] výpočtové teploty v rozsahu -20°C až +60°C.

1.2 Životnost

Životnost je doba, po kterou konstrukce musí bez ztráty užitné hodnoty plnit funkci, na kterou je navržena. Pro převážnou část konstrukcí ve stavebnictví se předpokládá životnost 25 roků. V plynárenství a ve vodárenství se počítají potrubní systémy běžně na životnost 50 roků. Jinak lze posuzovat konstrukce na životnost požadovanou zadavatelem. U nadzemních technologických zařízení je běžný požadavek životnosti do 10 roků.

Jak bude uvedeno dále (při výpočtu dovoleného napětí a určování krípového modulu) je životnost dobou, po kterou je vystavena konstrukce nebo její část účinkům zatěžovacího stavu nebo kombinacím zatěžovacích stavů.

1.3 Zatížení

Podle ČSN P ENV 1991-1 Zásady navrhování a zatížení konstrukcí Část1: Zásady navrhování [1].

(1) Zatížení je:

• buď přímé, tj. síla (břemeno) působící na konstrukci;
• nebo nepřímé zatížení, tj. vynucené nebo omezené deformace ... které jsou způsobeny např. změnou teploty, proměnlivou vlhkostí, nerovnoměrným sedáním atd. ...

(2) Zatížení se klasifikují:

1. podle proměnnosti v čase:
   • stálá zatížení, např. vlastní tíha konstrukce;
   • nahodilá zatížení, např. užitná zatížení, zatížení větrem nebo sněhem
2. podle proměnnosti v prostoru:
   • pevná zatížení např. vlastní tíha;
   • volná zatížení, např. pohyblivá užitná zatížení, zatížení větrem, zatížení sněhem.
3. podle svého charakteru a/ nebo odezvy konstrukce:
   • statická zatížení...
   • dynamická zatížení...

Pokud na výrobek (zařízení) existuje výrobková norma ČSN EN, pak je velikost zatížení a kombinace zatěžovacích stavů uvedena přímo v této předmětné normě. Jako příklad uvedeme ČSN EN 12566-1 Malé čistírny odpadních vod do 50 ekvivalentních obyvatel - Část 1 Prefabrikované septiky.[2]

V kap. 5 je uvedeno (cituji):

Konstrukční provedení

"Septik musí odolávat při plánované životnosti nejvyšším zatížením a namáháním vyvolaných při manipulaci, instalaci a provozu včetně odstraňováním kalu. V závislosti na konečném využití septiku se při výpočtech zatížení používají součinitelé spolehlivosti, na které je septik navrhován.

Uvažuje se následující zatížení:

1. zatížení zemním tlakem
2. hydrostatické zatížení (zatížení tlakem vodního sloupce)
3. nahodilé zatížení dopravou

Ke stanovení těchto zatížení se použijí následující parametry

H_W je výška vnější hladiny vody (podzemní vody)
h výška nadloží mezi horním povrchem septiku a povrchem terénu

Zatížení zemním tlakem

Svislá složka: h x 18 kN/m² objemová tíha zeminy (hustota): 18 kN/m³
Vodorovná složka: K x D x 18 x 18 kN/m²

Kde

K - je součinitel vnitřního úhlu tření pro různé druhy zeminy;
D - vzdálenost mezi povrchem terénu a bodem, kde zatížení působí

Při výpočtu zatížení zemním tlakem se uvažují půdní podmínky, vlastnosti zásypového materiálu a vliv tvaru septiku.

Pro písek: 0,33 x D x 18 kN/m²
Pro štěrk: 0,27 x D x 18 kN/m²
Pro ostatní zásypové materiály: 0,5 x D x 18 kN/m²

Zatížení vodním tlakem

Pro založení septiku v podzemní vodě se podmínky jeho stability v závislosti na tlaku vodního sloupce uvádějí v pokynech pro výstavbu (montážních pokynech) výrobce. Pro tento případ se uvažuje objemová tíha přilehlé zeminy 10 kN/m³ a musí být připočtena k zatížení vodního sloupce.

Nahodilé zatížení dopravou

1. Zatížení chodci: hodnota 2,5 kN/m² se uvažuje jen tehdy, pokud je výška nadloží menší než jeden metr. Při výšce nadloží větší než jeden metr se zatížení chodci ve srovnání s jinými druhy zatížení zanedbává;
2. Zatížení vozidly: pojížděné septiky se dimenzují (navrhují) individuálně, přičemž se zohledňuje uvažované konečné využití. Konec citace z ČSN EN. [2]

Při určování velikosti zatížení pro zařízení, na která není vydána předmětná norma, se postupuje podle příslušných ustanovení norem pro zatížení, např. podle

• ČSN 73 0035 Zatížení stavebních konstrukcí [3]
• ČSN P ENV 1991-3 Zásady navrhování a zatížení konstrukcí Část 3 Zatížení mostů dopravou. [4]
• ČSN 73 0037-Zemní tlak na stavební konstrukce [5] apod.

Zvláštní pozornost je třeba věnovat zatížením, která vyvolávají rozdíly teplot a to jak rozdíly vzniklé přestupem tepla z jedné strany desky na druhou stranu desky, tak rozdílu teploty konstrukce při montáži a při provozu.

Zatížení nádrží které jsou umístněny pod úrovní terén (podzemní nádrže)

a) Při montáži

Kombinace zatěžovacích stavů může např. obsahovat tyto zatěžovací stavy

• vlastní tíhu konstrukce
• tíhu nadloží
• boční tlak zeminy, např. podle [2] nebo [5]
• zatížení vyvolané obsluhou, [2]
• zatížení vyvolané dopravou, např. podle [4]
• vztlak, vyvolaný úrovní a tlakem podzemní vody
• přídavný tlak, vyvolaný zatížením terénu vozidlem, např. podle [5]

Při určování dovoleného napětí vycházíme z teploty a délky trvání kombinací zatěžovacích stavů, při stanovení krípového modulu z teploty, napětí a délky trvání kombinace zatěžovacích stavů. Délku montáže určuje dodavatel zařízení v Technicko-dodacích předpisech.

b) Při provozu zařízení

Kombinace zatěžovacích stavů může např. obsahovat tyto zatěžovací stavy

• vlastní tíhu konstrukce
• tíhu nadloží
• boční tlak zeminy, např. podle [2] nebo [5]
• zatížení vyvolané obsluhou, [2]
• zatížení vyvolané dopravou, např. podle [4]
• tlak kapaliny v nádrži
• vztlak, vyvolaný úrovní a tlakem podzemní vody
• přídavný tlak, vyvolaný zatížením terénu vozidlem, např. podle [5]

Při určování dovoleného napětí vycházíme z teploty a délky trvání kombinací zatěžovacích stavů (zpravidla 25 roků), při stanovení krípového modulu z teploty, napětí a délky trvání kombinace zatěžovacích stavů. Životnost konstrukce určuje dodavatel zařízení v Technicko-dodacích předpisech.

c) Při údržbě

Kombinace zatěžovacích stavů může např. obsahovat tyto zatěžovací stavy

• vlastní tíhu konstrukce
• tíhu nadloží
• boční tlak zeminy, např. podle [2] nebo [5]
• zatížení vyvolané obsluhou, [2]
• zatížení vyvolané dopravou, např. podle [4]
• vztlak, vyvolaný úrovní a tlakem podzemní vody
• tlak kapaliny např. jen v části nádrže (např. kapalina je jen v jedné komoře čistírny odpadních vod)
• přídavný tlak, vyvolaný zatížením terénu vozidlem, např. podle [5]

Při určování dovoleného napětí vycházíme z teploty a délky trvání kombinací zatěžovacích stavů, při stanovení krípového modulu z teploty, napětí a délky trvání kombinace zatěžovacích stavů. Celkovou dobu údržby určuje dodavatel zařízení v Technicko- dodacích předpisech.

Z popsaného zadávání kombinací zatěžovacích stavů vznikne několik samostatných výpočtových modelů -výpočtů- (každý výpočet je určen rozdílnou velikostí krípového modulu).

3. Některé poznatky z navrhování nádrží z termoplastů

Některé kombinace zatěžovacích stavů, které je nutné při navrhování zohlednit nemusí být spojeny přímo s provozem konstrukce. Např.

Zkouška netěsnosti nádrže po výrobě

Nádrže na ukládání kapalin musí splňovat podmínku vodotěsnosti. Délku trvání zkoušky předepisuje předmětná norma nebo předpis. Při výpočtu pro tuto kombinaci zatěžovacích stavů stanovujeme velikost dovoleného napětí v závislosti na teplotě a délce trvání zatížení, velikost krípového modulu v závislosti na teplotě, napětí a na délce trvání zatížení (zpravidla 24 hod.). Velikost zatížení je dána vlastní tíhou konstrukce a maximální hladinou kapaliny v nádrži.

Kontrola únosnosti závěsných ok

Při navrhování musíme respektovat některá pravidla pro manipulaci s nádobou. Přípustné dovolené napětí určuje teplota a doba trvání manipulace, krípový modul napětí, teplota a délka trvání manipulace.

4. Některé zvláštní druhy zatížení konstrukcí z termoplastů

Únosnost termoplastových konstrukcí má samozřejmě svoje meze. V poslední době se proto často setkáváme z používáním těchto progresivních materiálů k výrobě tzv. dvouplášťových nádrží, kde plast má funkci ztraceného bednění. Toto řešení přináší další výhody. Plastová část konstrukce ihned po skončené betonáži přebírá další svoji funkci: ochrany betonu před nežádoucími účinky agresivity kapalin (tzv. "hladové" vody podzemní a agresivní kapaliny uvnitř nádrže). Železobetonová část pak úspěšně přejímá veškerá ostatní zatížení.

Při kontrole únosnosti plastové části bednění je třeba při výpočtu zadávat např. kombinace těchto zatěžovacích stavů:

• vlastní tíhu konstrukce
• tlak betonu na stěny bednění podle ČSN 73 0035 Kap. D. Zatížení vodorovným tlakem betonové směsi [3]

5. Seznam norem

[1] ČSN P ENV 1991-1 - Zásady navrhování a zatížení konstrukcí Část1:Zásady navrhování
[2] ČSN EN 12566-1 - Malé čistírny odpadních vod do 50 ekvivalentních obyvatel - Část 1 Prefabrikované septiky
[3] ČSN 73 0035 - Zatížení stavebních konstrukcí
[4] ČSN P ENV 1991-3 Zásady navrhování a zatížení konstrukcí Část 3 Zatížení mostů dopravou.
[5] ČSN 73 0037 - Zemní tlak na stavební konstrukce