CZ234999A3

CZ234999A3 - Betonové a železobetonové trouby s optimalizovanými vlastnostmi a způsob jejich pokládání

Info

Publication number: CZ234999A3
Application number: CZ19992349A
Authority: CZ
Inventors: Dietrich Prof. Dr. Ing. Stein; Karsten Dipl. Ing. Körkemeyer
Original assignee: Prof. Dr. Ing. Stein & Partner Gmbh
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2000-01-12
Also published as: EP0969154B1; CZ297031B6; DE59910561D1; DE19829479A1; EP0969154A1; ATE277236T1

Description

Vynález se týká betonových a železobetonových trub s optimalizovanými vlastnostmi a způsobu jejich pokládáni.

Dosavadní stav techniky

Kanalizace se zpravidla pokládá otevřeným stavebním způsobem. Vyhloubí se proto rýha až do předepsané ukládaci hloubky, trouby se pokládají na připravené dno rýhy a následně se zaliji a zasypou. Stabilita polohy trub je rozhodujícím způsobem určena kvalitou jejich uložení a zalití. Zabezpečení rýhy se provádí zpravidla pažením, výjimečně svahováním. K montáži trub a k jejich zalití musí být vyhrazen pracovní prostor o velikosti odpovídající rozměrům trub. Jak ukazují zkušenosti, dochází často již během ukládání nebo krátce po uložení trub ke škodám, které mohou být způsobeny nedostatečnou kvalitou při jejich ukládání.

Je nutno vycházet z předpokladu, že v budoucnu budou tyto tendence zesilovat, vhledem k tlakům na náklady v inženýrském stavitelství a rovněž vzhledem ke snahám o snížení nákladů zaváděním nových technik kladení, u nichž se nedají vždycky splnit požadavky na ukládání podle DIN.

Aby bylo přesto možno zachovat trvalé a těsné provedení kanalizace, musí se navrhnout příslušné zdokonalené trouby.

• · • ·

Ma provozní bezpečnost kanalizace jsou kladeny stále vyšší požadavky:

vyšší nároky z důvodu používané silnější mechanizace techniky pokládání;

větší šířky rýhy přinášejí větší zatížení půdy, kde z důvodů tlakových účinků nelze v mnoha případech dosáhnout příznivých podmínek u těchto rýh;

naopak při malých šířkách rýh se nedá bezpečně provést zalití trub a utěsnění oblasti nosníku klenby;

těžké montážní přístroje namáhají potrubí ještě předtím, než je k dispozici jeho dostatečné zakrytí.

S přibývající nosností betonových trub se muselo přihlížet k tomuto vývoji. To se v minulosti dělo jednak zlepšením jakosti betonu a jednak větší tloušťkou stěn (silnostěnné trouby). Mezitím také vznikly různé speciální tvary (obr.l) a tak zvané trouby pro velká zatížení a trouby typu Atlas (obr.2). Ve schematickém průřezu je zde znázorněn na obr.la standardní tvar s kruhovým profilem, na obr.lb standardní tvar s vejčitým profilem a na obr.lc tvar se zdokonaleným průřezem. Na obr.2 je znázorněna v příčném a podélném řezu trouba tak zvaného typu Atlas.

Trouba s kruhovým profilem, normovaná v roce 1923 byla spočítána ještě podle řad nosností z „Tabulky minimální nosnosti pro kruhové a vejčité trouby s patkami, které vydal poprvé v roce 1910 Německý betonářský spolek. Později se provádělo dimenzování podle způsobu vyvinutého v šedesátých letech, jímž se počítaly velikosti průřezů podle velikosti síly pomocí „pružného těžiště. Přitom se přišlo na to, že v případě trub s patkami, z důvodu vytvoření patek, má vliv změněných momentů setrvačnosti značný účinek na rozdělení • · • ·

momentů, to znamená především, že napětí vznikající na spodní části trouby jsou mnohem větší, než vycházelo z výpočtu za předpokladu stejné tloušťky všech 3těn. Spodní část byla proto u provedení se zesílenými stěnami tlustší než vrchol. Patky klenby mohly být vyrobeny s menší tloušťkou stěny než vrchol, protože boční tlak zeminy, který se většinou vyskytuje, a který působí odlehčujícím vlivem, snižuje napětí v patkách klenby.

Vzhledem k tomu, že průřez trouby je staticky neurčitý, působí zde změna tloušťky stěny a s ní spojená změna tuhosti v místě průřezu, avšak ve všech místech obvodu trouby, na velikost průřezu. Když se například zvýší tloušťka stěny ve spodní části trouby, aby se odstranilo místní ohybové napětí, zvýší se tím progresivně vzrůstající moment setrvačnosti a vlivem vzrůstajícího účinku jeho ohybového momentu opět uvedený moment. Přezkoušení přípustného napětí se musí dosáhnout změnou tloušťky stěn.

Způsoby statického výpočtu však byly zdlouhavé a časově náročné. Zejména u průřezů, které se odchylovaly od kruhového tvaru, vzrůstaly enormně náklady na výpočet. Optimalizace tvaru průřezu a s ní spojené množství různých početních operací s různými vstupními veličinami nebyly proveditelné obvyklými výpočetními způsoby podle pružného těžiště, takže tvary trub, které jsou dnes k dispozici, nejsou určitě optimální.

Podstata vynálezu

Podle vynálezu by se měla optimalizovat nosná soustava betonové trouby pomocí strukturálně analytického výpočtu • · • · • · vzhledem ke tvaru a využiti materiálu.

Podle vynálezu se jako kritérium optimalizace zvolí poměru hmotnosti minimální hodnota setrvačnosti. Podle trouby platných předpisů se musí k momentu dodržovat

Přitom se = 2,2.

tahové napětí betonu s bezpečností γ současně přihlíželo k okrajovým podmínkám, jako je přípustné napětí zeminy. Nalezené průřezy byly proto posuzovány stále z hledisek provedení a zjednodušení pokládání. Tloušťka stěny patky by měla být maximálně jako tloušťka současně normalizované trouby ze zesílenými stěnami.

K číselné a technické optimalizaci je nutno učinit následující všeobecnou poznámku. Technická optimalizace nosné soustavy slouží ke stanovení cíle, vyvinutí optimálního uspořádání konstrukcí a využití materiálu.

Na vývoj nosné soustavy se musí stále pohlížet v souvislosti s výpočtem deformací a napětí. Tato strukturální analýza tak tvoří základ technické optimalizace. Ke stanovení deformací a napětí se skutečná nosná soustava idealizuje jako statická nosná soustava.

Zavedení technické optimalizace je všeobecně možné jenom s použitím počítače, protože moderní způsoby optimalizace . pracují iteračně a není vzácností, když se výpočet opakuje sto až tisíckrát.

Terminologie technické optimalizace

K formulování problémů optimalizace v inženýrství a v mechanice je třeba definovat několik abstraktních pojmů.

• Proměnné veličiny optimalizace

S proměnnými veličinami optimalizace se stávají měnitelné geometrie, popřípadě rozdělení materiálu, a rovněž • ·

topologie nosné konstrukce. Při strukturální analýze (klasické způsoby mechaniky, metody konečných prvků apod.) se berou jako „pevné vstupní hodnoty. Proměnné veličiny optimalizace jsou formálně uspořádány ve sloupcovém vektoru.

Xi

Xz nebo x = (xi,x₂, ... x_m ) x_n kde: m je rozměr problému [-]

Jako proměnná při optimalizaci trub byla zavedena tloušťka stěny na n místech průřezu, z plochy průřezu byly spočítány momenty setrvačnosti vyššího řádu.

• Omezení

Výpočet proměnných při optimalizaci je vázán na vedlejší podmínky, které jsou obecně označeny jako omezení. Omezení mohou mít charakter nerovnosti nebo rovnosti. U technických problémů optimalizace zpravidla převažují omezení mající charakter nerovnosti.

Věta omezení mající charakter nerovnosti je vyjádřena ve vektorové formě takto:

u(x)< 0

Znaménko nerovnosti < je zde zvoleno jako standardní porovnávací operátor.

• ·

Právě tak se obdrží pro omezení mající charakter rovnosti (pokud existují):

h (x) = 0

Jako omezení byly zavedeny:

- minimální tloušťka stěny z hlediska technického betonu, například největší zrno kameniva bezpečnostní koeficienty napětí v tahu pro beton, a rovněž napětí zeminy

- poměry tloušťky stěn sousedních míst průřezu (spojitost vnějšího obrysu trouby) rovinná spodní část (trouba s patkami) kruhový odtokový průřez • Účelová funkce

Účelovou funkcí (kritérium optimalizace) Q(x) je stanoven vyhodnocovací předpis tvořící základ pro algoritmus optimalizace. Touto účelovou funkcí se měří jakost proměnných pro optimalizaci. V úvahu pro ni přicházejí následující znázornění:

• objem • hmotnost • náklady • určité fyzikální jevy (například maximální hodnoty statických veličin atd.) • formy energie

Jako účelové funkce pro optimalizaci trub byly zavedeny: minimalizace hmotnosti trub, resp. plochy průřezu maximalizace nosnosti minimalizace šířky trouby, a tím i šířky rýhy • · · · • Oblasti řešeni

Řešeni účelové funkce Q* = Q(x = x’) je tehdy přesným matematickým optimálním řešením, když platí:

• při minimalizaci:

Q* < Q(x) x * x, X€E^m • při maximalizaci:

Q' h Q(x) x é x*, xeE kde x je proměnná při optimalizaci

E^m je definovaný prostor, který je stanoven m rovnicemi

I když je uvedená definice jednoznačná, vznikají při numerickém řešení problémy tehdy, když je k dispozici několik místních optimálních hodnot. Protože téměř všechny numerické způsoby řešení, které nespočívají na principu biologické evoluční strategie, zpracovávají stále jen místně ohraničené informace, může tato definice vést k tomu, že jenom jedna místní optimální hodnota je navržena jako „globální.

V daném případě se vycházelo z normalizované betonové trouby se zesílenými stěnami, se patkami.

Pomocí uvedené optimalizace se získá betonová, resp. železobetonová trouba, podle vynálezu, která je definovaná v patentových nárocích. Tato trouba podle vynálezu vykazuje následující nové vlastnosti:

1. Optimalizované vlastnosti, a to nosnost, napětí spodní části, vlastní hmotnost a průtokový průřez. Jako příklad jsou v následující tabulce shrnuty podstatné rozměry průřezu různých velikostí trouby (všechny rozměry jsou v mm).

Světlost	TI.stěny	šířka patky	šířka trouby
	vršek	spodek	patka
300	70	80(20)	50	110	400
400	90	100(20)	50	130	500
500	105	105(20)	65	165	630
600	130	130(30)	75	200	750
700	150	150(30)	90	230	880
800	180	180(30)	100	260	1000

2. Vnější obrys umožňuje pokládání a zhutnění zalévaclho materiálu také při nepříznivých, t.j. malých šířkách rýhy, pomocí přístrojů, které jsou k dispozici. Kromě toho trouba podle vynálezu má kolmé nebo jenom lehce kónické boční stěny, které se zužují směrem nahoru, a místo zvonového hrdla má přednostně drážkové hrdlo, které umožňuje zhutnění zalévaclho materiálu v potrubní oblasti pomocí zhutňovacích přístrojů. Protože tato trouba na základě svých kolmých, resp. lehce kónických bočních stěn, nevrhá žádný „stín, a protože má, ve srovnání s běžnými troubami, výrazně zvětšenou tloušťku stěny ve své horní části, a tím i příslušně zvýšenou rázovou pevnost, je zde možné přímé naplnění zalévacím materiálem, i při použití hrubozrnných násypových materiálů, a v potrubní oblasti se již dosáhne vysoké hustoty uložení bez dodatečných nákladů na zhutnění. Tak může odpadnout ruční zhutňování oblasti svorníku klenby, jehož jakost obecně neodpovídá doporučené jakosti, a které má nakonec za následek poškození potrubí.

2. Na základě vertikálních bočních stěn, může tato trouba ve spojení s tak zvaným lineárním pažením působit jako rozpěra.

* · · · ·· ·· · · ···· · · · · ··· · ···· · • · · β · · · ···· · β ·· ·· ··

-9-/

Délka trouby odpovídá délce prvků pro pažení. Je možné se vzdát pracovního prostoru na obou stranách trouby. Ke kompenzování výrobních tolerancí trub a pažení mohou být boční stěny opatřeny dřevěnými nebo polymerními zatěžovacími deskami (polštáři).

4. Nezbytná mezera mezi příslušným dnem a vnější stěnou trouby (mezera pro pažení) se postupně vyplňuje při vytahování pažnic používaných k pažení. Za tím účelem jsou nosníky pro pažení vybaveny odpovídajícími injekčními otvory.

5. Aby bylo možno trouby spustit absolutně vertikálně a kolmo do rýhy, nejsou zatěžovací dorazové body uspořádány v podélném směru, jak je dnes obvyklé, ale jsou uspořádány vzájemně příčně.

6. Spojení trub je provedeno jako drážkové hrdlo. Na rozdíl proti zvonovému hrdlu se nezasypává drážkové hrdlo proti sloupku pažení trubky (minimalizování šířky rýhy) a nevyvozuje žádné podstatné nerovnoměrnosti v tuhosti proti sloupku pažení trubky.

7. K usnadnění montáže má drážkové hrdlo poměrně velké středící úkosy, resp. velký náběh. Může být opatřeno komorou, osazením nebo stupni.

8. Jako těsnění se mohou použít kruhové, resp. přibližně kruhové válečkové prstence, kluzné prstence, kluzné prstence s mazacím pláštěm, kluzné prstence s velkým rozsahem působnosti, a rovněž integrovaná a aktivovatelná těsnění.

U trub podle vynálezu, bez hrdla, až do světlosti 600 mm, • * • ·

- 10 může být dále podle dalšího provedení vynálezu přednostně použito vnitřní manžetové těsnění vytvořené plastovou manžetou vyztuženou skelnými vlákny (GFK) s elastomerovým těsněním, jak je znázorněno na obr.10.

9. K uložení kabelů nebo trubek pro fluidní materiály mohou být v patkách trouby, v místech průřezu namáhaných jen nepatrně tahovým napětím vytvořeny, kruhové dutiny (prázdné trubky),jejichž průměr odpovídá maximálně tloušťce patky klenby (mají smysl jen od světlosti trouby 300 mm).

10. Vytvoření plochy patek, resp. spodní části trouby se provádí tak, aby nepravidelné zhutnění dna rýhy, resp. příliš velký modul tuhosti ve spodní části trouby nevedl nutně k vytváření trhlin v průřezu trouby. Proto není spodní část trouby rovná, jako u běžných trub s patkami, ale je opatřena dvěma patkami (rozměry v závislosti na jmenovité světlosti, viz bod 1) . Dutý prostor mezi oběma patkami je vyplněn snadno deformovatelným zhutnělým, který nepodléhá hnití.

11. Již při výrobě trub se mohou do vnější plochy trouby pevně zabudovat deformační vrstvy, buď v oblasti vrchní nebo spodní části, které mají podstatně nižší modul pružnosti proti betonu, a proto po položení trub podléhají deformacím, které způsobují odlehčení trouby v důsledku rozložení zatížení.

12. K dalšímu zlepšení nosnosti se jako surovina na výrobu trub používá tak zvaný vysoce pevnostní beton. Je to předpoklad pro vytvoření velkých středících úkosů při nepatrných tloušťkách stěn v oblasti drážkového hrdla, které • · je vystaveno vysokému zatížení při montáži trouby a při eventuálním pozdějším posouvání položených potrubních větví .

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže osvětlen podle výkresu, kde na obr.la je v řezu znázorněna trouba standardního tvaru kruhového profilu, na obr.lb je v řezu znázorněna trouba standardního tvaru vejčitého profilu, na obr.lc je znázorněna trouba známého tvaru se zdokonaleným profilem, na obr.2a je v řezu znázorněna známá trouba tak zvaného typu Atlas, na obr.2b je znázorněna trouba typu Atlas v podélném řezu podle obr.2a, na obr.3 je v pohledu znázorněna trouba podle vynálezu o průřezu se jmenovitou světlostí DN 600, na obr.4A je znázorněna trouba podle vynálezu v jednom provedení s vodícími kanálky v průřezu, na obr.4b je znázorněna trouba podle obr.4a v perspektivním pohledu šikmo shora, na obr.5a, b až 9a, b je znázorněna trouba podle vynálezu v dalších provedeních, s vodícími kanálky v průřezu (a) , resp. v perspektivním pohledu (b) , na obr.10a je v detailu ve vertikálním řezu znázorněn konec trouby podle vynálezu a na obr.10b jsou ve zvětšeném měřítku v částečném vertikálním řezu znázorněny dva vzájemně doražené konce trub s manžetovým těsněním podle vynálezu, uspořádaným uvnitř, a sestávajícím z manžety vyztužené skelnými vlákny (GFK) a z elastomerových prstenců.

Claims

PATE MTOVÉ NÁROK Y 1. Betonová, resp. železobetonová trouba se zvýšenou nosností, s patkami a vertikálními nebo šikmými bočními stěnami, v y znač u j í c í se tím, že tvar průřezu je optimalizován na minimální hodnotu poměru

hmotnosti trouby k momentu setrvačnosti, při respektování tahového napětí betonu s bezpečností γ = 2,2 a s tloušťkou patky klenby ne větší než podle normy pro trouby se zesílenými stěnami.
2. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároku 1, vyznačující se tím, že trouba je optimalizována s ohledem na nosnost, napětí spodní části, vlastní hmotnost a průtokový průřez.
3. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se t í m, že spodní část je opatřena dvěma patkami.
4. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároku 3, vyznačující se tím, že prostor mezi oběma patkami je vyplněn snadno deformovatelným zhutnělým materiálem, který nepodléhá hnití.

5. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že má následující hlavní rozměry průřezu, přičemž šířka patek je stejná pro obě patky.

· ··· ··· · · · · ··· · ···· · ·· · ······« · · ···· ·· «· ·· · · ·

Světlost TI.stěny šířka patky šířka trouby vršek spodek patka 300 70 80(20) 50 110 400 400 90 100 (20) 50 130 500 500 105 105(20) 65 165 630 600 130 130(30) 75 200 7 50 700 150 150(30) 90 230 880 800 180 180 (30) 100 260 1000 6. Betonová, resp vyznačuj drážkovými hrdly. . železobetonová ící se trouba podle tím, nároků 1 až 5, že je opatřena 7. Betonová, resp vyznačuj . železobetonová ící se trouba podle nároků 1 až 6, tím, že boční stěny jsou

opatřeny zatěžovacími deskami, resp. polštáři ze dřeva nebo plastu ke kompenzování výrobních tolerancí trub a pažení.

8. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že zatěžovací dorazové body jsou uspořádány vzájemně příčně.
9. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že drážkové hrdlo má poměrně velké středící úkosy, resp. velký náběh a je opatřeno komorou, osazením nebo stupni.
10. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že jako těsnění slouží kruhové, resp. přibližně kruhové duté prstence, kluzné prstence, kluzné prstence s mazacím prostředkem, kluzné prstence s velkým rozsahem působnosti, a rovněž integrovaná a

- 14 aktivovatelná těsnění, a zejména u trub bez hrdla až do světlosti 600 mm slouží jako těsnění vnitřní manžetové těsnění sestávající z manžety z plastu vyztuženého skelnými vlákny a z elastomerových prstenců.
11. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 1 až

10, vyznačující se tím, že k uložení kabelů nebo trubek pro fluidní materiály jsou v patkách trouby vytvořeny, kruhové dutiny, resp.prázdné trubky,jejichž průměr odpovídá maximálně tloušťce patky klenby.
12. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 1 až

11, vyznačující se tím, že vnější plocha trouby, v oblasti vrchní nebo spodní části, je opatřena pevně zabudovanými deformačními vrstvami, které mají podstatně nižší modul pružnosti proti betonu.
13. Betonová, resp. železobetonová trouba podle nároků 1 až

12, vyznačující se tím, že surovinou na výrobu trub je tak zvaný vysoce pevnostní beton.
14. Způsob pokládání betonových, resp. železobetonových trub se zvýšenou nosností, s patkami a vertikálními bočními stěnami podle nároků 1 až 13, v rýze, která se v případě potřeby opatří pažením, vyznačující se tím, že se trouby pokládají do rýhy, jejíž šířka, resp. do rýhy, kde vzdálenost protilehlých prvků pažení přesahuje šířku trouby o rozměr nutný ke kolmému uložení trouby.
15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že při vytahování desek pažin se současně vyplňuje dutina mezi boční stěnou trouby a stěnou rýhy.

• ·

- 15 16. Způsob podle nároku 14 nebo 15, vyznačuj ící se t i m, že se pokládají trouby s drážkovými hrdly.