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Hohlleitung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlleitung, die gegen bei der Erdverlegung auftretende Biege- und Druckkräfte widerstandsfähig ist und im wesentlichen eine quer verlaufende Flexibilität aufweist.
Es sind bereits Hohlleitungen für die Erdverlegung bekannt, die aus zwei in Abstand voneinander, konzentrisch zueinander angeordneten und durch vorzugsweise abwechselnd entgegengesetzt geneigte
Abstandsstücke und Streben, die sich über die ganze Länge der Leitung erstrecken, miteinander verbundenen Rohren bestehen. Diese bekannten Hohlleitungen waren jedoch entweder nicht fest genug, um einer äusseren Belastung, beispielsweise dem Gewicht der auf ihnen aufruhenden Erdsäule, hinreichend zu widerstehen, ohne in unzulässiger Weise einzubeulen, oder sie waren nicht flexibel genug, um die hinsichtlich der Flexibilität gestellten Anforderungen zu erfüllen. Das Verlegen von Hohlleitungen hinreichender Flexibilität im Erdreich in einer grösseren Tiefe von beispielsweise mehr als 1, 2 m war ausserdem sehr umständlich und teuer.
Es musste nämlich beim Zuschütten der ausgehobenen Künette nach der Verlegung der Rohrleitung die Künette zuerst seitlich der verlegten Leitung sorgsam mit Erdreich vollgestopft werden, um so eine seitliche Unterstützung für die Leitung zu bilden, die eine vertikale Ausbiegung der Leitung verhindert, die durch das Gewicht der auf der Leitung ruhenden Erdsäule bewirkt wird. Ein solches sorgfältiges Ausfüllen der Künette entlang beider Seiten der verlegten Leitung ist jedoch sehr zeitraubend und erhöht die Verlegungskosten beträchtlich, wobei ausserdem noch der Nachteil hinzutritt, dass erfahrungsgemäss ein solches Ausstopfen von den wenigsten Arbeitern mit genügender Sorgfalt durchgeführt wird.
Die Erfindung sucht die oben angeführten Nachteile zu vermeiden und eine Hohlleitung zu schaffen, die hinsichtlich ihrer Verlegung die Vorteile starrer Leitungen aufweist, sich jedoch infolge ihrer Flexibilität dennoch Unebenheiten des Bodens der ausgehobenen Künette anpassen kann, sowie in Längsrichtung gebogen werden kann. Durch derartige Leitungen werden anderseits die Nachteile starrer Leitungen vermieden, die infolge ihrer Starrheit in Abschnitte relativ kurzer Länge unterteilt verlegt werden müssen, da ja die Verbindungsstellen zwischen diesen Abschnitten die mangelnde Flexibilität ersetzen müssen.
Die gegenständliche Erfindung besteht nun im wesentlichen darin, dass bei einer aus zwei in Abstand voneinander, konzentrisch zueinander angeordneten und durch Abstandsstücke miteinander verbundenen Rohren bestehenden Hohlleitung die Rohre aus Kunstharz mit einem Elastizitätsmodulgegen- über Verbiegung zwischen ungefähr 3. 500 kg/cm2 und 140. 000 kg/cnf bestehen, wobei das Kunstharz eine grössere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit aufweist, dass die Abstandsstücke und Streben ebenfalls aus Kunstharzmaterialbestehen und mit den beiden Rohren gemeinsam geformt sind, dass die Stärke des inneren Rohres im Verhältnis zur Stärke des äusseren Rohres zwischen 1, 05 : 1 und 4, 0 : 1 liegt und dass die Leitung eine Steifheit im Bereich von etwa 4, 2 kg/cm2 bis etwa 70 kg/cm2 aufweist.
Im Vergleich zur erfindungsgemäss ausgebildeten Leitung besitzen feste Materialien, wie Stahl, Beton, Gusseisen, gebrannter Ton u. dgl. einen Elastizitätsmodul gegenüber Verbiegung in der Grössenordnung von 140000 kg/cm2 bis 2 100 000 kg/cm2. Das bei der erfindungsgemäss ausgebildeten Leitung verwendete Material ist daher relativ biegsam, jedoch keineswegs elastisch, wie beispielsweise natürlicher oder
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synthetischer Gummi, welche einen Elastizitätsmodul gegenüber Verbiegung von unter 700 kg/cmz haben oder halbelastisch,
wie beispielsweise Polyäthylen mit einem Elastizitätsmodul gegenüber Verbiegung in der Grössenordnung von 700 kg/cm2 bis 3500 kg/cm2. Durch die Verwendung eines solchen Materiales mit einem Elastizitätsmodul gegenüber Verbiegung zwischen ungefähr 3 500 kg/cm2 und 140000 kg/cmz sowie durch die spezielle, aufeinander abgestimmte Stärke der beiden Rohrwandungen wird eine Hohlleitung geschaffen, die genügend flexibel und dabei dennoch gegen die bei der Erdverlegung auftretenden Biege-und Druckkräfte widerstandsfähig ist.
Die erfindungsgemässe Hohlleitung ist daher starr genug, um die zu erwartenden Lasten abstützen zu können, bzw. es wird die durch die aufruhende Last entstehende Abflachung der Rohrleitung in zulässigen Grenzen gehalten, während die erfindungsgemässe Hohlleitung dennoch unter allen Verlegungsbedingungen die Eigenschaft einer flexiblen Leitung hat.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsfbrm der Erfindung ist der Zwischenraum zwischen den Rohren im wesentlichen durch ein poröses, festes, zementartiges Material ausgefüllt, um den Abstandsstücken und Streben eine zusätzliche Unterstützung gegen Biegung zu geben. Es ist bekannt, den Zwischenraum zwischen den beiden Rohren einer Hohlleitung für das Herstellen einer Isolation mit faserigen Stoffen, beispielsweise mit Asbest, oder mit flexiblem Schaum auszuftillen. DieseFüllstoffe besitzen zwar sehr gute Wärmeisolationseigenschaften, sind jedoch kompressibel und werden daher bei einer Neigung oder Knickung der Abstandsstücke und Streben zusammengedrückt.
Durch die erfindungsgemässe Ausfüllung des Zwischenraumes zwischen den Rohren durch ein poröses, festes, zementartiges Material wird jedoch im Zusammenhang mit den in Anspruch 1 unter Schutz gestellten Merkmalen ein wesentlicher Vorteil erzielt, der bei Verwendung faseriger oder schaumartiger Füllmaterialien nicht auftritt. Viele der Kunst- harzmaterialien, aus denen die erfindungsgemässe Hohlleitung hergestellt sein kann, besitzen eine grössere Druck- oder Zugfestigkeit als Biegefestigkeit. Dadurch, dass nun der Abstand zwischen den
Rohren durch einen zementartigen Füllstoff ausgefüllt wird, wird verhindert, dass sich die Streben krümmen oder dass die Streben ausknicken, wenn die Leitung belastet wird und es wird dadurch un- möglich gemacht, dass das Material der Abstandsstücke und Streben infolge Ausbiegung versagt.
Wenn die Abstandsstücke und Streben infolge Ausbiegung versagen, so ist dennoch lediglich ein Teil ihrer Zug- oder Druckfestigkeit ausgenutzt und es könnte daher dieses Material höher belastet werden. Durch die Verwendung eines festen, porösen, zementartigen Füllstoffes, der eine genügende Steifheit aufweist, um ein Ausbiegen der Abstandsstücke und Streben zu verhindern, kann eine wesentlich festere Leitung hergestellt werden, als dies ohne Verwendung des Füllstoffes möglich wäre.
Als Füllstoff kann beispielsweise Lehm, Ton, gemahlener Glimmer, Kohlenstaub usf. verwendet werden.
Als Kunststoffe für die Herstellung der erfindungsgemässen Hohlleitung kommen beispielsweise Thermoplaste, wie Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Acrylnitrilbutadien-Styrol (ABS) in Frage, aber auch wärmehärtende Kunststoffe, wie Phenolformaldehyd, Polyester und Epoxy-Harze.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Hohlleitung in schaubildlicher Darstellung.
Die Fig. 2-8 zeigen Teile einer durch fachwerkartig angeordnete Abstandsstücke verstärkten Hohlleitung, wobei bei den in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren durch einen Füllstoff ausgefüllt ist. Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Hohlleitung, Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform und Fig. 11 einen Längsschnitt durch die in Fig. 9 dargestellte Leitung.
Die erfindungsgemässe Hohlleitung besteht aus einem Innenrohr 12 und einem konzentrisch dazu in Abstand angeordneten Aussenrohr 14, wobei die beiden Rohre 12 und 14 durch abwechselnd entgegengesetzt geneigte Abstandsstücke 16 und 18 miteinander verbunden sind. In Fig. l sind kreisrunde Rohre mit überall gleichbleibender Stärke dargestellt. Es können jedoch auch, wie Fig. 2 zeigt, gerippte Rohre, wie Fig. 4 zeigt, Rohre polygonaler Form und, wie Fig. 5 zeigt, Rohre mit ungleichmässiger Stärke verwendet werden. Aus den Zeichnungen geht weiters hervor, dass die Stärke des äusseren Rohres geringer ist als die Stärke des inneren Rohres, wobei das Verhältnis zwischen der Stärke des inneren Rohres und der Stärke des äusseren Rohres zwischen 1, 05 : 1 und 4, 0 : 1 liegt.
Die Abmessungen erfindungsgemäss ausgebildeter Hohlleitungen können je nach dem verwendeten Material und dem Verwendungszweck verschieden sein und in einem weiten Bereich liegen. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäss ausgebildete Hohlleitung einen Innendurchmesser von etwa 20 cm, einen Aussendurchmesser von etwa 24 cm, eine Stärke des Innenrohres 12 von etwa 0, 15 cm und eine Stärke des Aussenrohres 14 von etwa 0, 12 cm aufweisen und es können 32 Paare von Abstandsstücken bzw. Stre-
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ben 16 und 18 im Ringraum zwischen dem Innenrohr 12 und dem Aussenrohr 14 vorgesehen sein. Jedes Abstandsstück erstreckt sich hiebei über die volle Länge der Leitung und hat eine Dicke von annähernd 0, 12 cm.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Innenrohr 12 kreisrund ausgebildet, wogegen das Aussenrohr 140 aus gebogenen konvexen Rippen 15 besteht, zwischen denen die Abstandsstücke und Streben 16 und 18 an das Aussenrohr 140 angeschlossen sind. Je zwei benachbarte, entgegengesetzt geneigte Abstandsstücke 16 und 18 können dabei eng nebeneinander mit dem Aussen- rohr 140 verbunden sein, jedoch ist vorzugsweise zwischen den Berührungslinien dieser beiden benachbarten Abstandsstücke 16 und 18 ein relativ grosser Abstand vorgesehen, so dass ein Wandabschnitt 20 frei bleibt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind das Innenrohr 12 und das Aussenrohr 14 durch radiale Abstandsstücke 22 und 24 miteinander verbunden, zwischen denen weitere geneigte Abstandsstücke 160 und 180 vorgesehen sind.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind das Innenrohr 121 und das Aussenrohr 141 im Querschnitt polygonal ausgebildet. Die Abstandsstücke und Streben sind ähnlich wie in Fig. 1 geformt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind wieder die Abstandsstücke und Streben 16 und 18 ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 angeordnet. Das Aussenrohr 142 weist einen kreisförmigen Aussenumfang 28 und das Innenrohr 122 einen kreisförmigen Innenumfang 32 auf. Der Innenumfang des Aussenrohres 142 und der Aussenumfang des Innenrohres 122 sind jedoch zwischen den Verbindungsstellen der Abstandsstücke und Streben 16 und 18 konvex bzw. konkav ausgebogen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 haben Innenrohr 12 und Aussenrohr 14 die gleiche kreisrunde Form wie bei der Ausführungsform nach Fig. li die Neigung der Abstandsstücke und Streben 163 und 184 zur Tangente des Innenrohres ist jedoch grösser. Der sich daraus ergebende grössere Abstand der Verbindungsstellen mit dem Innenrohr 12 bzw. mit dem Aussenrohr 14 wird durch die Anord- nung einer zweiten Gruppe von Abstandsstücken und Streben 164 und 183 ausgeglichen, welche die Abstandsstücke und Streben 163 und 184 schneiden und mit diesen sowie mit dem Innenrohr 12 und mit dem Aussenrohr 14 einstückig ausgebildet sind.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform sind wieder wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 zwei kreisrunde Rohre 12 und 14 vorgesehen, die durch radial verlaufende Abstandsstücke 165 miteinander verbunden sind. Der Zwischenraum zwischen dem Innenrohr 12 und dem Aussenrohr 14 wird durch einen eingebrachten Füllstoff 36 vollständig ausgefüllt, der an der Oberfläche haftet. Dieser Füllstoff besteht aus porösem, festem, zementartigem Material, beispielsweise aus Beton. Weil der Füllstoff 36 mit den Oberflächen der Rohre und der Abstandsstücke in Verbindung steht und eine gewisse Eigenstarrheit aufweist, trägt er beträchtlich zur Festigkeit der erfindungsgemässen Hohlleitung bei. Vor allem wird dadurch eine Verbiegung oder Ausknickung der Abstandsstücke vermieden.
Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform sind nur mehr Stummel von radial angeordneten Abstandsstücken 166 vorgesehen, während die eigentliche Abstützung durch den Füllstoff 366 übernommen wird, der die fachwerkartig angeordneten Abstandsstücke zwischen dem Innenrohr 12 und dem Aussenrohr 14 ersetzt und als Abstützung gegen radiale Druckkräfte dient.
Wird ein Abschnitt eines Rohres aus elastischem Material einer Quetschkraft unterworfen, so ist die Verringerung seines vertikalen Durchmessers durch
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(1)[vgl. Buch von Roark (Formulas for Stress and Strain", S. 156) ].
In dieser Formel bedeuten :
A x = Verringerung des Durchmessers der Leitung in cm, k = Proportionalitätskonstante,
W = Vertikalbelastung der Leitung in kg/cm, r = mittlerer Radius der Leitung in cm,
E = Elastizitätsmodul bei Verbiegung des Materials, aus dem die Leitung besteht, in kg/cm,
I = Trägheitsmoment einer Einheitslänge des Querschnitts der Leitungswandung in cm4/cm.
Wird nun die Starrheit des Rohres definiert durch die Belastung pro cm Einheitslänge des Rohres, die erforderlich ist, um eine Ausbiegung von 1 cm hervorzurufen, so ergibt sich
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(h = Rohrwanddicke in cm).
In der Gleichung (3) erscheinen die Wanddicke h und der Leitungsradius r mit der dritten Potenz. Zwei Hohlleitungen unterschiedlichen Durchmessers aus dem gleichen Material haben also die gleiche Starrheit, wenn das Verhältnis von Wanddicke zu Radius das gleiche bleibt. Ferner gilt allgemein, dass zwei Hohlleitungen aus dem gleichen Material, welche Aufbauform sie auch haben, von gleicher Starrheit sind, wenn alle Abmessungen im gleichen Verhältnis geändert werden wie ihre Radien.
Die allgemein angenommene Formel zur Berechnung der Abflachung ist :
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In dieser Formel bedeuten :
C = Umrechnungsfaktor
D = Verzögerungsfaktor. Dieser Faktor berücksichtigt eine allmähliche Verfestigung der Aufschüttung über viele Monate,
K = Einbettungskonstante. Diese Konstante liegt zwischen 0, 08 und 0, 12, je nachdem, in welchem Umfang und in welcher Weise die Leitung den Erdboden berührt, in dem sie eingebettet ist, (er) = passiver Widerstand des Erdbodens gegenüber Auswärtsbewegungen der Seiten der Leitung in kg/cm ?.
In der Praxis wird empfohlen, dass das Produkt EI wenigstens 10% des Ausdruckes 0, 061 (er) r betragen soll.
Dividiert man Zähler und Nenner des Bruches in Gleichung (4) durch r3, so erhält man :
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Der Ausdruck (er) ist ein Mass für die Festigkeit des Bodens seitlich des Rohres, der Auswärtsbewegung der Seitenwandung der Leitung zu widerstehen, wenn sich die Oberseite der Leitung unter der Last
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niedrigen Werten von (er) ist, um die Ausbiegung auf maximal 50/0, den maximal zulässigen Wert, zu begrenzen.
Ferner muss dann das Rohr hinreichend fest sein, um die Erdbodenlast zu tragen, die auf
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das Rohr geschüttet wird, wenn es in genügender Tiefe vergraben wird. Überdies soll das Rohr eine Starrheit haben, die geringer ist als die höheren Werte von (er), und zusätzlich soll es sich um wenigstens 59/D biegen lassen. ohne dass es zerbricht.
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wird die Belastung der Leitung vermindert. Es wird nämlich die Seitenabstützung durch den Erdboden ausgenutzt, um die Verbiegung des Rohres innerhalb zulässiger Werte zu halten. Eine vorgegebene Rohrfestigkeit gestattet dann, weit höhere Lasten aufzunehmen, ohne dass eine übermässige Abflachung des Rohres oder ein Bruch des Rohres eintritt, wenn man einen Vergleich mit andern Rohren anstellt, die einigermassen wirtschaftlich herzustellen sind.
Wie bereits erwähnt, ist die Stärke des Innenrohres einer erfindungsgemässen Hohlleitung grösser als die Stärke des Aussenrohres.
Zu dieser Bemessungsvorschrift führen folgende Überlegungen : Wird ein Rohrabschnitt Quetschkräften ausgesetzt, so entstehen in der Rohrwand Umfangsspannungen. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass die maximale Spannung an den Punkten a, a', b, b'auftritt, die auf der Vertikalachse liegen. Ein zweites, jedoch niedrigeres Spannungsmaximum tritt bei c, c ', d und d ' auf, die auf der Horizontalachse liegen. Zwischen diesen Punkten haben die Innenwand und die Aussenwand geringere Spannungen.
Die Werte der Spannungsmaxima längs der Vertikalachse y - y betragen
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(vgl. Roark 1. c. S. 95 und 156) und längs der Horizontalachse x - x
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(vgl. Roark I. c. S. 95 und 156).
In diesen Formeln bedeuten :
Sy und Sx = maximale Faserspannung im Rohrmaterial in kg/cm2, kl = Umrechnungsfaktor
W = Belastung in kg über die Länge des Rohres, r = mittlerer Radius des Rohres in cm, I = Trägheitsmoment der Rohrwand in cm4,
C = maximaler Abstand von der Neutralachse des Rohrwandabschnittes zu jeder Wandfläche in cm.
Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass die Last W die Krümmung der Rohrwand nächst der Vertikalachse zu verringern sucht und die Krümmung in der Nähe der Horizontalachse zu vergrössern sucht. Die Spannungen in der Innenwand bei b, b' und in der Aussenwand bei c, c'sind also Zugspannungen, während die Spannungen in der Aussenwand bei a, a'und in der Innenwand bei d, d'Druckspan- nungen sind.
Es ist bekannt, dass bei vielen duktilen Materialien die Druckfestigkeitsgrenze wesentlich höher ist als die Zugspannungsgrenze. Zu diesen Materialien gehören die meisten duktilen Metalle und Legierungen, wie auch viele thermoplastische Materialien, etwa ABS und P. V. C. Die letztgenannten Materialien dienen insbesondere zur Herstellung erfindungsgemässer Hohlleitungen.
Aus den Gleichungen (6) und (7) ist erkennbar, dass die maximale Spannung in der Innenwand bei b, b'grösser als die maximale Spannung in der Aussenwand bei c, c'ist, nämlich im Verhältnis
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Wird ein Längsabschnitt einer erfindungsgemäss ausgebildeten Hohlleitung betrachtet, so liegt die neutrale Achse n in der Mitte zwischen der Innenwand und der Aussenwand, wenn beide Wände die gleiche Stärke haben. Ist die Innenwand stärker als dargestellt, bleibt aber die gemeinsame Dicke von
Innenwand und Aussenwand ungeändert, so bewegt sich die neutrale Achse in Richtung zur schwereren
Wand, u. zw. nahezu direkt proportional zum Verhältnis von der Stärke tl des Innenrohres zur
Stärke t2 des Aussenrohres.
Fig. 10 zeigt schematisch ein Innenrohr und ein Aussenrohr gleicher Stärke (tl = tz). Fig. 11 zeigt zum Vergleich eine erfindungsgemässe Ausbildung. Die Dicke beider Wände ist in der Summe die gleiche, jedoch hat das Innenrohr eine grössere Stärke tl als das Aussenrohr mit der Stärke tz. Bei
Anwendungen der Gleichungen (6) und (7) ist erkennbar, dass die Vergrösserung des Materiales des
Innenrohres die Zugspannung auf das Innenrohr in derjenigen Ebene verringert, auf die eine Quetschkraft ausgeübt wird, und anderseits die Zugspannung in einer rechtwinkelig dazu liegenden Ebene erhöht. Durch Nachrechnen ergibt sich, dass, wenn die Innenwand 1, 75-fach so dick gemacht wird wie die Aussenwand, die resultierenden Spannungen in diesen beiden Ebenen gleich werden.
Obwohl viele duktile Materialien bezüglich Druck fester sind als bezüglich Zug, so ist doch das
Verhältnis zwischen Druck und Zug nicht stets so hoch wie 1, 75 : 1. Wird ein Material verwendet, bei dem das Verhältnis von Druckfestigkeit zu Zugfestigkeit kleiner als 1, 75 : 1 ist und wird kein Füllstoff verwendet oder nur ein Füllstoff sehr geringer Festigkeit, so wird vorzugsweise das Verhältnis der Stärken von Innenrohr und Aussenrohr gleich dem Verhältnis von Druck-zur Zugfestigkeit des Materiales gemacht, aus dem die Rohrleitung besteht.
Wird ein Füllstoff zwischen die Rohrwände gefüllt, so übernimmt er, gleichgültig, ob er mit den Wänden verbunden ist oder nicht, einen gewissen Anteil der Druckfestigkeit. Dieser Anteil hängt von den relativen Elastizitätsmoduli ab und von den Festigkeiten von Füllstoff- und Wandmaterial. Hat der Füllstoff eine beträchtliche Festigkeit und Steifheit, so kann es günstig sein, ein Verhältnis von Innenzu Aussenrohrstärke anzuwenden, das grösser ist als das Verhältnis von Druck- zu Zugfestigkeit des Wandmaterials.
Obwohl aus den vorangehenden Erläuterungen klar ist, wie ein optimales Wanddickenverhälmis zu bestimmen ist, so muss doch hervorgehoben werden, dass bei allen Materialien, deren Druckfestigkeit höher ist als ihre Zugfestigkeit, oder falls ein Füllstoff benutzt wird, der einen Teil der Druckspannung aufnimmt, jede Verstärkung der Dicke der Innenwand in bezug zur Dicke der Aussenwand ein stärkeres Rohr bei gleichem Materialverbrauch schafft.
Diese Erwägungen treffen in besonderem Masse zwischen den Verhältnissen 1, 05 : 1 bis zu wenigstens 4, 0 : 1 zu.
Eine erfindungsgemässe, durch Abstandsstücke od. dgl. verstärkte Hohlleitung liefert ein erhöhtes Trägheitsmoment I, so dass der gewünschte Starrheitsgrad bei wirtschaftlichem Materialverbrauch sichergestellt werden kann. Eine erfindungsgemässe Hohlleitung aus ABS mit einem Durchmesser von etwa 20 cm hat eine Starrheit von etwa 20, 37 kg/cm2 und benötigt etwa 0,036 kg ABS/cm.
Wird ein entsprechendes Rohr mit etwa 20 cm Durchmesser in üblicherweise aus den bisher benutzten Materialien hergestellt, so liegen die Starrheitswerte wie folgt :
Standardfestigkeit eines Abwasserrohres R = 555 kg/cm2
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Für ein üblich aufgebautes Abwasserrohr aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Durchmesser von etwa 20 cm gilt :
Abwasserrohr aus Styrol-Gummi Plastik CS228-61 R = 1, 5 kg/cmz
Alle älteren starren Materialien sind bei den genannten Standardwanddicken zu starr. Sie biegen nicht hinreichend aus, um die Seitenabstützung des Erdbodens auszunutzen, selbst bei guter Verlegung.
Sie müssen also die volle Erdbodenlast ganz tragen. Dementsprechend sind sie relativ viel weniger belastbar als eine erfindungsgemäss ausgebildete Leitung gleicher Quetschfestigkeit.
Erfolgt anderseits eine Verlegung in nur relativ flachen Gräben, so ist das Abwasserrohr aus StyrolGummi zu flexibel. Es kann erwartet werden, dass es sich übermässig abflacht, wenn nicht eine sehr gute Verlegung angenommen wurde.
Erfindungsgemässe Rohrleitungen können in sehr wirtschaftlicher Weise erzeugt werden. Bei einem Wert von R = 20, 3 kg/cm2 ist eine erfindungsgemässe Hohlleitung flexibler als die bisher in der Technik als starr bezeichneten Hohlleitungen. Sie kann alle Erdbodenbelastungen, die bei üblichen Verlegungen
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auftreten, bei üblichen Verlegungstiefen aufnehmen. Ihre Flexibilität gestattet, die erreichbare Seitenabstützung mit Vorteil auszunutzen, wobei ihre Verlegung nicht besonders sorgfältig erfolgen muss.
Dennoch hat eine erfindungsgemässe Hohlleitung eine Festigkeit, die mehr als zehnmal so gross ist, wie die eines Styrol-Gummi-Rohres, und schliesslich kann sie selbst die stärksten Belastungen tragen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gegen bei der Erdverlegung auftretende Biege- und Druckkräfte widerstandsfähige, im wesentlichen eine quer verlaufende Flexibilität aufweisende Hohlleitung, bestehend aus zwei in Abstand voneinander, konzentrisch zueinander angeordneten und durch vorzugsweise abwechselnd entgegengesetzt geneigte Abstandsstücke und Streben, die sich über die ganze Länge der Leitung erstrecken, miteinander verbundenen Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre aus Kunstharz mit einem Elastizitätsmodul gegenüber Verbiegung zwischen ungefähr 3 500 kg/cm .
utMLl4000C kg/cm2bestehen, wobei das Kunstharz eine grössere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit aufweist, dass die Abstandsstücke und Streben ebenfalls aus Kunstharzmaterial bestehen und mit den beiden Rohren gemeinsam geformt sind, dass die Stärke des inneren Rohres im Verhältnis zur Stärke des äusseren Rohres zwischen 1, 05 : 1 und 4, 0 : 1 liegt und dass die Leitung eine Steifheit im Bereich von etwa 4, 2 kg/cm2 bis etwa 70 kg/cm2 aufweist.
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Hollow pipe
The invention relates to a hollow conduit which is resistant to bending and compressive forces occurring during burial and which essentially has a transverse flexibility.
There are already known hollow lines for underground laying, which consist of two spaced apart, concentrically arranged and preferably alternately inclined in opposite directions
Spacers and struts that extend the entire length of the conduit are made of interconnected pipes. However, these known hollow pipes were either not strong enough to withstand an external load, for example the weight of the pillar of earth resting on them, without denting in an unacceptable manner, or they were not flexible enough to meet the flexibility requirements . The laying of hollow pipes of sufficient flexibility in the ground at a greater depth of, for example, more than 1.2 m was also very cumbersome and expensive.
When the excavated trench was filled in after the pipeline was laid, the trench on the side of the pipeline had to be carefully stuffed with soil in order to create a lateral support for the pipeline that prevents the pipeline from bending vertically, which is caused by the weight of the is effected on the line resting earth column. However, such a careful filling of the trench along both sides of the laid pipe is very time-consuming and increases the laying costs considerably, with the additional disadvantage that experience has shown that such a filling is carried out by very few workers with sufficient care.
The invention seeks to avoid the above-mentioned disadvantages and to create a hollow conduit which has the advantages of rigid conduits in terms of laying it, but which, due to its flexibility, can still adapt to unevenness in the bottom of the excavated trench and can be bent in the longitudinal direction. On the other hand, such lines avoid the disadvantages of rigid lines which, due to their rigidity, have to be laid divided into sections of relatively short length, since the connection points between these sections must replace the lack of flexibility.
The present invention consists essentially in the fact that in a hollow pipe consisting of two pipes arranged at a distance from one another, concentrically to one another and connected to one another by spacers, the pipes made of synthetic resin with a modulus of elasticity against bending between approximately 3.500 kg / cm2 and 140. 000 kg / cnf, the synthetic resin has a greater compressive strength than tensile strength, that the spacers and struts are also made of synthetic resin material and are formed together with the two tubes, that the strength of the inner tube in relation to the strength of the outer tube is between 1.05 : 1 and 4.0: 1 and that the line has a stiffness in the range of about 4.2 kg / cm2 to about 70 kg / cm2.
In comparison to the line designed according to the invention, solid materials such as steel, concrete, cast iron, burnt clay and the like have. The like. A modulus of elasticity against bending in the order of magnitude of 140,000 kg / cm2 to 2,100,000 kg / cm2. The material used in the line formed according to the invention is therefore relatively flexible, but in no way elastic, such as natural or
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synthetic rubber with a modulus of elasticity against bending of less than 700 kg / cm2 or semi-elastic,
such as polyethylene with a modulus of elasticity against bending in the order of magnitude of 700 kg / cm2 to 3500 kg / cm2. By using such a material with a modulus of elasticity against bending between approximately 3,500 kg / cm2 and 140000 kg / cmz, as well as the special, coordinated thickness of the two pipe walls, a hollow pipe is created that is sufficiently flexible and yet against the burial occurring bending and compressive forces is resistant.
The hollow pipe according to the invention is therefore rigid enough to be able to support the expected loads, or the flattening of the pipe resulting from the resting load is kept within permissible limits, while the hollow pipe according to the invention still has the property of a flexible line under all laying conditions.
According to a preferred embodiment of the invention, the space between the tubes is essentially filled by a porous, solid, cement-like material in order to provide the spacers and struts with additional support against bending. It is known to fill the space between the two tubes of a hollow conduit for the production of insulation with fibrous materials, for example with asbestos, or with flexible foam. Although these fillers have very good thermal insulation properties, they are compressible and are therefore compressed when the spacers and struts are inclined or kinked.
Due to the inventive filling of the space between the pipes with a porous, solid, cement-like material, a significant advantage is achieved in connection with the features protected in claim 1, which does not occur when using fibrous or foam-like filling materials. Many of the synthetic resin materials from which the hollow conduit according to the invention can be made have a greater compressive or tensile strength than flexural strength. Because now the distance between the
Filling pipes with a cementitious filler prevents the struts from bending or buckling when the line is loaded, and prevents the spacers and struts from failing due to deflection.
If the spacers and struts fail as a result of deflection, only part of their tensile or compressive strength is used and this material could therefore be subjected to higher loads. By using a solid, porous, cementitious filler that is stiff enough to prevent the spacers and struts from flexing, a much stronger conduit can be made than would be possible without using the filler.
Clay, clay, ground mica, coal dust, etc. can be used as fillers.
For example, thermoplastics such as polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), but also thermosetting plastics such as phenol formaldehyde, polyester and epoxy resins are suitable as plastics for the production of the hollow pipe according to the invention.
The invention is shown schematically in the drawings using exemplary embodiments.
1 shows an embodiment of a hollow pipe according to the invention in a diagrammatic representation.
2-8 show parts of a hollow conduit reinforced by spacers arranged in the manner of a framework, the intermediate space between the two tubes being filled with a filler in the embodiments shown in FIGS. 7 and 8. FIG. 9 shows a cross section through the hollow line shown in FIG. 1, FIG. 10 shows a longitudinal section through a modified embodiment, and FIG. 11 shows a longitudinal section through the line shown in FIG.
The hollow conduit according to the invention consists of an inner tube 12 and an outer tube 14 arranged concentrically to it at a distance from it, the two tubes 12 and 14 being connected to one another by spacers 16 and 18 which are alternately inclined in opposite directions. In Fig. L circular tubes are shown with the same thickness everywhere. However, as FIG. 2 shows, corrugated tubes, as shown in FIG. 4, tubes of polygonal shape and, as FIG. 5 shows, tubes of uneven thickness can be used. The drawings also show that the thickness of the outer tube is less than the thickness of the inner tube, the ratio between the thickness of the inner tube and the thickness of the outer tube being between 1.05: 1 and 4.0: 1 .
The dimensions of hollow lines designed according to the invention can be different depending on the material used and the intended use and can be within a wide range. For example, a hollow pipe designed according to the invention can have an inside diameter of about 20 cm, an outside diameter of about 24 cm, a thickness of the inner tube 12 of about 0.15 cm and a thickness of the outer tube 14 of about 0.12 cm and 32 pairs of Spacers or struts
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ben 16 and 18 in the annular space between the inner tube 12 and the outer tube 14 can be provided. Each spacer extends the full length of the conduit and is approximately 0.12 cm thick.
In the embodiment shown in FIG. 2, the inner tube 12 is circular, whereas the outer tube 140 consists of curved convex ribs 15, between which the spacers and struts 16 and 18 are connected to the outer tube 140. Two adjacent, oppositely inclined spacers 16 and 18 can be connected closely to one another with the outer tube 140, but a relatively large distance is preferably provided between the contact lines of these two adjacent spacers 16 and 18 so that a wall section 20 remains free.
In the embodiment according to FIG. 3, the inner tube 12 and the outer tube 14 are connected to one another by radial spacers 22 and 24, between which further inclined spacers 160 and 180 are provided.
In the embodiment according to FIG. 4, the inner tube 121 and the outer tube 141 are polygonal in cross section. The spacers and struts are shaped similarly to FIG. 1. In the embodiment according to FIG. 5, the spacers and struts 16 and 18 are again arranged similarly to the embodiment according to FIG. The outer tube 142 has a circular outer circumference 28 and the inner tube 122 has a circular inner circumference 32. The inner circumference of the outer tube 142 and the outer circumference of the inner tube 122, however, are convex or concave between the connecting points of the spacers and struts 16 and 18.
In the embodiment according to FIG. 6, the inner tube 12 and outer tube 14 have the same circular shape as in the embodiment according to FIG. 1, but the inclination of the spacers and struts 163 and 184 to the tangent of the inner tube is greater. The resulting larger distance between the connection points with the inner tube 12 or with the outer tube 14 is compensated for by the arrangement of a second group of spacers and struts 164 and 183, which intersect the spacers and struts 163 and 184 and with these and with them the inner tube 12 and with the outer tube 14 are formed in one piece.
In the embodiment shown in FIG. 7, as in the embodiment according to FIG. 1, two circular tubes 12 and 14 are again provided, which are connected to one another by radially extending spacers 165. The space between the inner tube 12 and the outer tube 14 is completely filled by an introduced filler 36 which adheres to the surface. This filler consists of a porous, solid, cement-like material such as concrete. Because the filler 36 is in contact with the surfaces of the tubes and the spacers and has a certain inherent rigidity, it contributes considerably to the strength of the hollow pipe according to the invention. Above all, this avoids bending or buckling of the spacers.
In the embodiment shown in Fig. 8, only stubs of radially arranged spacers 166 are provided, while the actual support is taken over by the filler 366, which replaces the lattice-like spacers between the inner tube 12 and the outer tube 14 and as a support against radial compressive forces serves.
If a section of a tube made of elastic material is subjected to a squeezing force, the reduction in its vertical diameter is through
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(1) [cf. Roark's book (Formulas for Stress and Strain ", p. 156)].
In this formula:
A x = reduction in the diameter of the pipe in cm, k = constant of proportionality,
W = vertical load on the cable in kg / cm, r = mean radius of the cable in cm,
E = modulus of elasticity when the material of which the cable is made is bent in kg / cm,
I = moment of inertia of a unit length of the cross section of the pipe wall in cm4 / cm.
If the rigidity of the pipe is now defined by the load per cm of unit length of the pipe, which is required to cause a deflection of 1 cm, then this results
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(h = pipe wall thickness in cm).
In equation (3), the wall thickness h and the line radius r appear to the third power. Two hollow pipes of different diameters made from the same material have the same rigidity if the ratio of wall thickness to radius remains the same. Furthermore, it generally applies that two hollow pipes made of the same material, whatever their design, are of the same rigidity if all dimensions are changed in the same ratio as their radii.
The generally accepted formula for calculating the flattening is:
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In this formula:
C = conversion factor
D = delay factor. This factor takes into account a gradual solidification of the embankment over many months,
K = embedding constant. This constant is between 0.08 and 0.12, depending on the extent and in which way the line touches the ground in which it is embedded, (er) = passive resistance of the ground to outward movement of the sides of the line in kg / cm?.
In practice, it is recommended that the product EI should be at least 10% of the expression 0.061 (er) r.
If you divide the numerator and denominator of the fraction in equation (4) by r3, you get:
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The term (er) is a measure of the strength of the soil on the side of the pipe to withstand the outward movement of the side wall of the pipe when the top of the pipe is under the load
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low values of (er) is to limit the deflection to a maximum of 50/0, the maximum permissible value.
Furthermore, the pipe must then be strong enough to bear the load on the ground
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the pipe is poured when it is buried to a sufficient depth. In addition, the tube should have a rigidity that is less than the higher values of (er) and, in addition, it should be able to bend at least 59 / D. without it breaking.
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the load on the line is reduced. This is because the lateral support through the ground is used to keep the bending of the pipe within permissible values. A given pipe strength allows far higher loads to be absorbed without the pipe becoming excessively flattened or the pipe breaking, if a comparison is made with other pipes which are reasonably economical to manufacture.
As already mentioned, the thickness of the inner pipe of a hollow pipe according to the invention is greater than the thickness of the outer pipe.
The following considerations lead to this dimensioning rule: If a pipe section is subjected to squeezing forces, then circumferential stresses arise in the pipe wall. It can be seen from FIG. 9 that the maximum stress occurs at points a, a ', b, b' which lie on the vertical axis. A second, but lower, stress maximum occurs at c, c ', d and d', which lie on the horizontal axis. The inner wall and the outer wall have lower stresses between these points.
The values of the stress maxima along the vertical axis are y - y
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(see Roark 1.c. pp. 95 and 156) and along the horizontal axis x - x
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(cf. Roark I. c. pp. 95 and 156).
In these formulas:
Sy and Sx = maximum fiber tension in the pipe material in kg / cm2, kl = conversion factor
W = load in kg over the length of the pipe, r = mean radius of the pipe in cm, I = moment of inertia of the pipe wall in cm4,
C = maximum distance from the neutral axis of the pipe wall section to each wall surface in cm.
It can be seen from FIG. 9 that the load W seeks to reduce the curvature of the pipe wall next to the vertical axis and seeks to increase the curvature in the vicinity of the horizontal axis. The stresses in the inner wall at b, b 'and in the outer wall at c, c' are therefore tensile stresses, while the stresses in the outer wall at a, a 'and in the inner wall at d, d''Compressive stresses.
It is known that in many ductile materials the compressive strength limit is significantly higher than the tensile stress limit. These materials include most ductile metals and alloys, as well as many thermoplastic materials, such as ABS and P.V.C. The latter materials are used in particular for the production of hollow pipes according to the invention.
From equations (6) and (7) it can be seen that the maximum stress in the inner wall at b, b 'is greater than the maximum stress in the outer wall at c, c', namely in relation
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If a longitudinal section of a hollow conduit designed according to the invention is considered, the neutral axis n lies in the middle between the inner wall and the outer wall if both walls are of the same thickness. If the inner wall is thicker than shown, the joint thickness of remains
Inner wall and outer wall unchanged, so the neutral axis moves in the direction of the heavier one
Wall, u. zw. almost directly proportional to the ratio of the thickness tl of the inner tube to
Thickness t2 of the outer tube.
Fig. 10 shows schematically an inner tube and an outer tube of the same thickness (tl = tz). For comparison, FIG. 11 shows an embodiment according to the invention. The total thickness of both walls is the same, but the inner tube has a greater thickness tl than the outer tube with the thickness tz. At
Applications of equations (6) and (7) it can be seen that the increase in the material of the
Inner tube reduces the tensile stress on the inner tube in the plane on which a squeezing force is exerted and, on the other hand, increases the tensile stress in a plane at right angles thereto. Recalculation shows that if the inner wall is made 1.75 times as thick as the outer wall, the resulting stresses in these two planes become the same.
Although many ductile materials are stronger in compression than they are in tension, it is
Ratio between compression and tension is not always as high as 1.75: 1. If a material is used in which the ratio of compressive strength to tensile strength is less than 1.75: 1 and no filler is used or only a filler of very low strength is used, so the ratio of the thicknesses of the inner pipe and the outer pipe is preferably made equal to the ratio of compressive to tensile strength of the material of which the pipeline is made.
If a filler is filled between the pipe walls, it takes on a certain proportion of the compressive strength, regardless of whether it is connected to the walls or not. This proportion depends on the relative elasticity moduli and on the strengths of the filler and wall material. If the filler has considerable strength and stiffness, it can be advantageous to use a ratio of inner to outer pipe thickness which is greater than the ratio of compressive to tensile strength of the wall material.
Although it is clear from the preceding explanations how an optimal wall thickness ratio is to be determined, it must be emphasized that for all materials whose compressive strength is higher than their tensile strength, or if a filler is used that absorbs part of the compressive stress, each one Reinforcement of the thickness of the inner wall in relation to the thickness of the outer wall creates a stronger pipe with the same material consumption.
These considerations apply particularly between the ratios 1.05: 1 to at least 4.0: 1.
A hollow pipe according to the invention, reinforced by spacers or the like, provides an increased moment of inertia I, so that the desired degree of rigidity can be ensured with economical material consumption. A hollow line according to the invention made of ABS with a diameter of approximately 20 cm has a rigidity of approximately 20.37 kg / cm 2 and requires approximately 0.036 kg ABS / cm.
If a corresponding pipe with a diameter of about 20 cm is usually made from the materials used so far, the rigidity values are as follows:
Standard strength of a sewer pipe R = 555 kg / cm2
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The following applies to a conventionally constructed sewage pipe made of thermoplastic material with a diameter of about 20 cm:
Waste water pipe made of styrene rubber plastic CS228-61 R = 1, 5 kg / cmz
All older rigid materials are too rigid with the specified standard wall thicknesses. They do not bend sufficiently to take advantage of the lateral support of the ground, even with good installation.
So you have to bear the full earth load. Accordingly, they are relatively much less resilient than a line designed according to the invention with the same crush strength.
If, on the other hand, it is laid in relatively shallow trenches, the styrene rubber sewer pipe is too flexible. It can be expected to flatten excessively unless a very good lay is assumed.
Pipelines according to the invention can be produced in a very economical manner. At a value of R = 20.3 kg / cm2, a hollow pipe according to the invention is more flexible than the hollow pipes previously referred to as rigid in technology. It can handle all ground loads that occur with normal laying
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occur, record at the usual installation depths. Their flexibility allows the attainable lateral support to be used to advantage, and it does not have to be laid with particular care.
Nevertheless, a hollow pipe according to the invention has a strength which is more than ten times as great as that of a styrene-rubber pipe, and finally it can bear even the heaviest loads.
PATENT CLAIMS:
1. Resistant to bending and compressive forces occurring during burial, essentially a transverse flexibility exhibiting hollow conduit, consisting of two spaced apart, concentrically arranged and preferably alternately oppositely inclined spacers and struts, which extend over the entire length of the conduit extend, interconnected pipes, characterized in that the pipes are made of synthetic resin with a modulus of elasticity against bending between approximately 3 500 kg / cm.
utMLl4000C kg / cm2, the synthetic resin has a greater compressive strength than tensile strength, that the spacers and struts are also made of synthetic resin material and are formed together with the two tubes, that the strength of the inner tube in relation to the strength of the outer tube is between 1.05 : 1 and 4.0: 1 and that the line has a stiffness in the range of about 4.2 kg / cm2 to about 70 kg / cm2.