Elastyczność: wada czy zaleta?

Elastyczność jest generalnie postrzegana jako pozytywna cecha, niezależnie od tego, czy mówi się o wzorcach pracy czy ruchomych połączeniach.

Jeśli jednak chodzi o kanalizację miejską, często preferuje się stosowanie sztywnych rur i systemów rurowych. Ogólnie rzecz ujmując, są one postrzegane jako wypróbowane i sprawdzone rozwiązania gwarantujące wysoką odporność na obciążenie ruchem drogowym, osiadanie ziemi i uszkodzenia. Z drugiej wszakże strony, o rurach elastycznych czasami powiada się, iż są to wyroby podatne na deformację pod obciążeniem.

Jednak nowe badania rur podziemnych przedstawiają zgoła odmienny obraz. Wydaje się, że elastyczność jest w rzeczywistości ukrytą zaletą systemów rurowych z tworzyw sztucznych.

Dyskusja na temat kanalizacji dotyczy często istotnych zalet różnych materiałów. Po jednej stronie mamy sztywne systemy betonowe, kamionkowe i żeliwne, które charakteryzują się dużą wytrzymałością konstrukcji. Z drugiej strony olbrzymim powodzeniem cieszą się elastyczne systemy rurowe z PVC-U, PP i PE, które oferują łatwość montażu, szczelność i odporność na korozję. Chociaż czynniki te wyjaśniają stały wzrost popularności elastycznych systemów rurowych, wciąż bywają zgłaszane wątpliwości. Powód? Wydaje się, że elastyczne systemy są, no cóż… po prostu zbyt elastyczne.

Faktem jest, że rury elastyczne wyginają się - a bywa nawet, że ulegają deformacjom - gdy pozostają zakopane w ziemi. Prawdą jest również to, że systemy sztywne takim odkształceniom nie ulegają. Dla wielu osób jest to dowód na to, że tworzywa sztuczne po prostu nie nadają się do tego typu zastosowań - ale istnieją dowody, które temu przeczą. W trakcie badań prowadzonych przez Stowarzyszenie TEPPFA porównano częstotliwość występowania usterek w ponad 1800 km rur podziemnych - zarówno sztywnych, jak i elastycznych. Badanie to wykazało, że średnia ilość uszkodzeń w elastycznych kanałach ściekowych jest o 80% niższa niż w sztywnych kanałach - podkreślając tym samym fakt, że sztywne rury nie są w stanie przeciwstawić się skutkom przemieszczania gruntu ani dopasować się do podziemnych przeszkód. Z kolei rury elastyczne mogą łatwiej zmieniać kształt (wyginać się), bez ryzyka powstania w nich pęknięć.

Czasem jednak wśród inżynierów zajmujących się budową systemów kanalizacyjnych nadal panuje brak zrozumienia, jak w rzeczywistości zachowują się elastyczne rury, a wiele osób nadal martwi się odkształceniami i ich wpływem na wydajność i żywotność systemów. To skłoniło Stowarzyszenie TEPPFA do podjęcia dalszych badań nad projektowaniem systemów rurociągów, które zapewniłyby cenną wiedzę i pomogły inżynierom dokonywać świadomych wyborów.

Sponsorowane między innymi przez TEPPFA badania dotyczyły zjawiska ugięcia zakopanych rur w różnych warunkach. Do badania wybrano rury o rozmiarze 315 mm o litych ściankach, ponieważ reprezentowały typowe zastosowanie i umożliwiły wykonanie szerszego zakresu testów ciśnieniowych i bezciśnieniowych - w tym „testu pierścieniowego” i testu wewnętrznego ciśnienia hydrostatycznego. Aby odwzorować rzeczywiste środowisko ich pracy, rury były zakopane w dwóch różnych miejscach: u stóp pagórkowatego terenu z piaskiem i niewielką ilością mułu oraz w terenie nadmorskim z gliniastą glebą, tak aby można było porównywać różnice między glebami ziarnistymi i spójnymi. Zastosowano także wiele metod zasypywania wykopów i zagęszczenia wypełnienia - od ” złych” do „dobrych”, aby ocenić, jaki wpływ ma jakość instalacji na ugięcie rur.

Potwierdzone przez niezależnych ekspertów z branży wyniki przyniosły bardzo użyteczne informacje. Po pierwsze, nawet w przypadku zastosowania niewłaściwych metod ułożenia rur w ciągu 4 lat badań nie odnotowano problemów związanych z uszkodzeniami lub stabilnością rur. Po drugie, badania wykazały, że ugięcie pojawia się zaraz po zakopaniu rury, a po zakończeniu procesu osiadania gruntu osiąga ono wartość końcową (maksimum) i przez cały okres eksploatacji rury już się nie zwiększa. Po trzecie wykazano, że zarówno głębokość instalacji, jak i poziom obciążenia ruchem drogowym nie mają istotnego wpływu na ugięcie, a kluczowym czynnikiem determinującym deformację rur nie jest ich sztywność, a raczej jakość wykonania instalacji. Wreszcie, nawet w przypadku źle przeprowadzonej instalacji, oczekiwane odkształcenie rur jest znacznie mniejsze od dopuszczalnego poziomu określonego w normach krajowych, a zatem można powiedzieć, że rury elastyczne mają wbudowany współczynnik bezpieczeństwa.

Badania te były zgodne z innymi podobnymi obserwacjami prowadzonymi w systemach kanalizacyjnych na terenie całej Europy. Przykładowo, prace przeprowadzone w Szwecji przez Larsa Erica Jansona (na rurach z tworzyw sztucznych do odprowadzania ścieków i wody) wskazują, że rury z PE i PVC mogą być poddawane znacznym obciążeniom bez ryzyka wystąpienia pęknięć. W Niemczech Hoechst przez 40 lat prowadził testy rur z PE - również bez oznak pęknięć.

We wcześniejszym badaniu TEPPFA wykopane po 38 latach eksploatacji elastyczne rury z wielu miejsc w całej Europie także nie wykazały utraty stabilności.

Na podstawie wszystkich tych różnorodnych badań można wysnuć jednobrzmiący wniosek, że deformacja rur w systemach elastycznych nie ma większego wpływu na ich wydajność. Podobnie unikatowe właściwości plastikowych systemów rurowych, zwłaszcza ich naturalna wytrzymałość, oznaczają, że są one bardziej odporne na skutki przemieszczanie się gruntu. Podsumowując, elastyczność to w większym stopniu kluczowy czynnik wpływający na długą żywotność systemów rurowych z tworzyw sztucznych niż wada tego typu systemów.

Co zatem dzieje się z rurą kanalizacyjną od chwili jej instalacji?

Przede wszystkim, warunki instalacji rur mogą się zmieniać praktycznie co metr w zależności od wielu czynników, do których należą rodzaj gleby, poziom wód gruntowych czy gradient nachylenia terenu. Rury produkowane z tradycyjnych, sztywnych materiałów nie wykazują ugięcia, przez co uważa się je za bardziej odpowiednie do zmiennych warunków instalacyjnych.

Jednakże, warunki naziemne nie są jednakowe przez cały czas życia rury. Rury elastyczne w przeciwieństwie do tych wykonywanych z materiałów sztywnych podążają za ruchami gruntu - niezależnie od tego czy są one wywołane wzrostem i obniżaniem się poziomu wód gruntowych czy też np. silnym mrozem powodującym zwiększenie się objętości wody w glebie.

Na przestrzeni lat mogą również zachodzić różne zmiany na powierzchni. Na przykład, natężenie ruchu drogowego może się bardzo zwiększyć w stosunku do tego, które było początkowo przewidywane.

Mając na uwadze wszystkie te zmienne - od warunków terenowych w trakcie instalacji po zmiany zachodzące zarówno pod, jak i na powierzchni ziemi - można być pewnym, że elastyczne rury tworzywowe doskonale spełnią swoje zadanie w różnych warunkach pracy.

Dzięki dużej odkształcalności, rury termoplastyczne są bardzo bezpieczne. Mogą podlegać odkształceniom, jednak ze względu na zmieniające się w czasie warunki gruntowe oznacza to bezpieczeństwo użytkowania. Gdy rury charakteryzują się większą sztywnością niż otaczająca je gleba, muszą być wystarczająco odporne na naprężenia wynikające z ruchu drogowego i innych sił. Z kolei rura elastyczna przenosi wspomniane obciążenia do podsypki i otaczającej ją gleby.

Powyższe tezy zostały poparte badaniami dotyczącymi rur zakopanych w gruncie (Buried Pipes), przeprowadzonymi w celu przebadania wytrzymałości i integralności rur tworzywowych. Badania obejmowały kompleksowe testy prowadzone w terenie na materiałach o różnej sztywności, przy różnych rodzajach gleby i różnych warunkach instalacyjnych, jak również badania laboratoryjne przy symulacji różnych obciążeń, różnych głębokościach instalacji, różnych ciśnień roboczych i z uwzględnieniem upływu czasu.

Wniosek? Rury tworzywowe, zapewniające równocześnie dużą elastyczność i wytrzymałość, w pełni nadają się do zastosowań w inżynierii cywilnej.

TEPPFA (The European Plastic Pipe and Fittings Association) to Europejskie Stowarzyszenie Producentów Rur i Kształtek z Tworzyw Sztucznych założone w 1991 r. z siedzibą w Brukseli. Dziesięć międzynarodowych firm-członków TEPPFA oraz 14 krajowych stowarzyszeń z terenu Europy reprezentuje 350 firm produkujących rury i kształtki z tworzyw sztucznych. Firmy stowarzyszone w TEPFFA osiągają roczną wielkość produkcji rzędu 3 mln ton, zatrudniając bezpośrednio 40 000 pracowników, przy łącznej sprzedaży rocznej o wartości 12 miliardów €.

Podstawowym zadaniem TEPPFA jest promowanie zalet systemów rur z tworzyw sztucznych poprzez prezentację solidnych danych rzeczowych oraz reprezentowanie interesów europejskiego sektora rur i kształtek z tworzyw sztucznych na poziomie decydentów UE.

Polskie Stowarzyszenie Producentów Rur i Kształtek z Tworzyw Sztucznych (PRiK) jest organizacją, która od wielu lat zajmuje się upowszechnieniem rur i kształtek z tworzyw sztucznych jako przyjaznych człowiekowi, funkcjonalnych i nieszkodliwych dla środowiska wyrobów. Stowarzyszenie jest jedną z bardziej aktywnych polskich organizacji branżowych.

Współpracuje z krajowymi i europejskimi instytucjami normalizacyjnymi. Dzięki tej współpracy zdecydowana większość norm europejskich dotycząca rur z tworzyw sztucznych została przetłumaczona i wprowadzona jako Polskie Normy PN EN.

JL
na podst. materiałów TEPPFA i PRiK