Nr. 127. Forankring av PE-ledninger

Formål

Dette VA/Miljø-bladet gir veiledning i beregninger av opptredende krefter i nedgravde trykkledninger av polyetylen (PE), samt skisserer og dimensjonerer ulike forankringsløsninger. Hensikten er å skape et stabilt ledningsnett uten kritiske bevegelser med fare for lekkasjer og brudd. For
nærmere beskrivelse av PE materialet henvises til VA/Miljøblad 11 ”Kravspesifikasjon for vann og avløpsledninger i PE materiale”.
Med hensyn på forankring av trykkledninger i prefabrikkerte kummer, henvises til VA/Miljøblad 112. For generelle råd angående forankring av ulike rørmaterialer i grøft, anbefales VA/Miljøblad 96 ”Forankring av rørledninger”.

Begrensninger

Bladet omhandler ikke forankring på terreng, i luft eller i vann.

Funksjonskrav

Alle nye ledningsanlegg skal trykkprøves med prøvetrykk som er større enn normalt driftstrykk. Ledningsanlegget må derfor ha forankringsløsninger som er dimensjonert for å tåle prøvetrykket med god (standardisert) sikkerhetsmargin.

Til alle forankringskonstruksjoner skal det bare v anvendes materialer som er minst like aldringsbestandige som selve rørsystemet for angjeldende
ledningsanlegg. Forankringen skal være designet for å tåle dimensjonerende belastning i anleggets definerte levetid; dvs > 100 år.

Løsninger

Polyetylenrør (PE) er et viskoelastisk materiale som er sveisbart. Materialet kjennetegnes ved at de fysiske egenskapene som elastisitetsmodul og bruddspenning endres som funksjon av tiden, temperaturen og spenningsnivået. Den høye temperaturutvidelseskoeffisienten til materialet
gir potensiale for bevegelser der ledningene ikke er forankret. At røret er sveiset i skjøtene gir muligheter for overføring av opptredende krefter
til spenninger i rørmaterialet, noe som reduserer behovet for forankring ved bend, T-rør, dimensjonsoverganger og stengeventiler.

Det er spesielt i overgangen mellom ulike materialer og ved tilknytning til kummer at forankringsløsninger er nødvendige.

OPPTREDENDE KREFTER OG SPENNINGER

Hydrauliske tilleggskrefter oppstår ved bend, T-rør, dimensjonsoverganger og avstenginger. Disse ”inhomogenitetene” i PE rørnettet må være forsterket konstruksjonsmessig, slik at opptredende spenningskonsentrasjoner blir liggende innenfor tillatte grenser i PE materialet.

I et strekkfast ledningsmateriale som PE, vil kraften som opptrer i aksial retning (KL) på grunn av innvendig trykk ved bend, T-rør og vstengninger,
generelt kunne uttrykkes:

p = trykk (N/m2)
d = innvendig diameter i rør eller elektromuffe (m)
v = vinkelendring
Et trykk på 1 MPa = 106 N/m² = 1000 kPa = 1N/ mm² = 100mvs = 10 bar = 10,19kp/cm2 = 101,9 tonn/m².

Ved bruk av elektromuffe vil det være rørets utvendige diameter D som benyttes i beregningen. Setter man vinkelen v = 90˚, får man strekkraften
i røret ved en T – avgrening (T-rør) og ved full ventilavstenging.

Tar vi utgangspunkt i ”worst case” situasjonen med elektromuffeskjøter, kan man beregne strekkspenningen i lengderetningen med formel 2:

SDR = (DN/OD)/Godstykkelsen I tillegg vil PE røret være utsatt for en spenning i ringretningen ( ) som følge av innvendig trykk:

I tillegg til kreftene fra vanntrykket, beskrevet ved geometriendringene foran, vil rørene kunne utsettes for krefter i lengderetningen som følge av temperaturendring (KΔT) og tverrkontraksjon (Kv).

E = PE 100 materialets krypmodul (MPa)
= termisk utvidelseskoeffisien (oC-1)
ΔT = temperaturendring fra installasjonstemperatur (oC)
D = ytre diameter (m)
d = indre diameter (m)
Den termiske spenningen blir maksimalt:

Tverrkontraksjonskraften kan uttrykkes som:

Tverrkontraksjonen vil ikke gi tilleggskrefter ved bend, T-rør og overganger, da den vil virke i motsatt retning og være mindre enn trykkraften. Nedkjøling av røret kan gi tilleggsspenninger i sveiseskjøten ved bendet. Vanligvis benyttes en temperaturendring ΔT = ±20⁰C ved beregning av termiske krefter. Ved avkjøling av et nedgravd fiksert rør oppstår en strekkraft i lengderetningen, mens det ved en oppvarming introduseres en trykkraft. Ved trykkprøving aksepteres en kortidsspenning
i rørmaterialet som er 50 % høyere enn den dimensjonerende spenningen, (9,4 Mpa for sikkerhetsfaktor 1,6 og 12 Mpa for sikkerhetsfaktor 1,25 etter NS-EN 12201 for PE100). Det er sveisefaktoren i PE sveisen som er avgjørende for om det er behov for forankring av ledningen eller ikke. Antar man en dimensjonerende sveisefaktor på 0,85, blir de maksimalt tillatte spenningene i PE100 røret ved trykkprøving henholdsvis
8 Mpa (sikkerhetsfaktor 1,6) og 10 Mpa (sikkerhetsfaktor 1,25).
Tabell 1 a og b viser de totale spenningene i lengderetningen ved trykkprøving. (sikkerhetsfaktor 1,25 og 1,6)
Tabell 1a (sikkerhetsfaktor 1,25)

Tabell 1b (sikkerhetsfaktor 1,6)

Tabell 1 a og b: Totale spenninger (Mpa) i lengderetningen ved bend på PE-rør ved trykkprøving og temperaturkrefter. I tallene utgjør temperaturspenningen 1,6 Mpa.

Vi ser at det ikke er behov for forankring av noen av PE bendene, siden maksimale spenninger ligger under tillatte kortidsbelastninger. Vi ser at
sveisefaktoren må være så lav som i området 0,7 til 0,75 for at det skal være fare for brudd i en PE100 ledning ved et 90˚ bend. Konklusjonen blir at PE-bend (både horisontale og vertikale), T-rør, overganger og blindender i nedgravde grøfter ikke bør forankres så lenge de inngår i et helsveist strekkfast ledningsnett av PE.

Det forutsettes at de nevnte rørdelene er konstruksjonsmessig forsterket, slik at de tåler fullt prøvetrykk. I motsatt fall må det benyttes strekkfaste
løsninger basert på bruk av stålrør eller duktilt støpejern (flensekoblinger).

Figur 1: Eksempel på konstruksjonsmessig forsterket T-rør.

I figur 2 vises 3 eksempler på hvor det vil være fare for lekkasjer som følge av temperaturendring og tverrkontraksjon ved bruk av PE rør. Der
et PE materiale kobles til en ikke strekkfast muffe, vil røret kunne trekke seg ut av muffa, dersom det ikke forankres mot bevegelse i lengderetningen. Friksjonen mellom PE-røret og omkringliggende
jordmasser vil ikke være tilstrekkelig til å stabilisere røret. På samme måte kan det oppstå lekkasje i flensekoblinger på PE rør eller ved tilkobling til et innstøpt flenserør i en kumvegg. Utfordringene i disse sammenhengene blir større når diameteren øker.

Figur 2: Eksempler på situasjoner hvor helsveiste rør kan ha behov for forankring mot bevegelse i lengderetningen som følge av temperaturkrefter og tverrkontraksjonskrefter.

FORANKRING AV PELEDNINGER MOT BEVEGELSE I RØRETS LENGDERETNING

I et komplett strekkfast ledningsnett av PE er det, som nevnt under punkt 4.1, ikke behov for støpte forankringer ved bend, T-rør, overganger og ved
blindender. Alle krefter vil bli opptatt som spenninger og tøyninger i rør og rørdeler. Det blir ”små bevegelser” (økende over tid etter hvert
som E-modulen avtar), som normalt ikke har noen praktisk betydning.
Utfordringen med forankring av PE-rør ligger i rørets lengderetning, som vist i eksemplene i figur 2.

Ligger rørene i en grøft, vil friksjonskreftene mellom ledning og omgivende masser redusere bevegelsen. Ligger ledningen i et varerør blir
bevegelsene større. Ved styrte boringer vil også friksjonen bli redusert og bevegelsene større. Ønsker man å redusere bevegelsen til ”null”, må
man etablere forankringer.

Forankringskonstruksjonene må ha tilstrekkelig styrke til å håndtere ”låsekraften”. I motsatt fall vil betongen sprekke opp eller stålforankringen
deformere seg. I kummer vil det være ønskelig at rørene er fiksert, slik at man enkelt kan bytte ut ventiler og andre rørdeler. Ved overganger fra strekkfaste PE-rør til ikke strekkfaste rør, kan man ikke tåle bevegelse.
Lengdeforandringen på et fritt bevegelig PE rør (ΔL) kan beregnes av formelen:

Antar man en langtids E-modul på 200 Mpa, et trykk på 1,25 Mpa og en nedkjøling av røret på 20˚C, vil et 100m langt SDR11 rør få en redusert
lengde (ΔL) på:

Vi kan trygt si at PE er et levende materiale. For å hindre en slik bevegelse, må ledningen låses fast i hver ende med en kraft KForankring.

Vi ser at forankringskraften øker med diameteren i 2. potens. Er diameteren i eksempelet foran lik 400mm kan man beregne forankringskraften til:

Som E-modul ved dimensjoneringen anvendes en relaksert korttids E-modul på 500 Mpa. Det er viktig å vite hvilken type jordmasser som
finnes i området der trykkledningens forankringskloss skal etableres. Det mobiliserbare passive jordtrykket for normalt konsoliderte jordarter i
Norge vil ligge i området 100kN til 150kN. Størrelsen på forankringsarealet (A) vinkelrett på rørets lengderetning beregnes av formel 9.

jord = tillatt passivt jordtrykk (kN/m2)

Benyttes betong i forankringsklossen, må tykkelsen være minimum 0,3m. Formelgrunnlaget kan også benyttes for trykkløse rør ved å sette p=0.

FORANKRING I KUMMER OG ANDRE STØPTE KONSTRUKSJONER

Ved forankring i standardiserte prefabrikkerte kummer kan det benyttes prefabrikerte konsoller montert i kumbunnen i samsvar med VA/Miljøblad
112. Ved plasstøpte kummer skal PE ledningene forankres i kumvegg med innmuringskrage som vist i figur 3.

I et slikt tilfelle vil den dimensjonerende forankringskraften være forskjellig i medstrøms og motstrøms retning (P-x og P+x). Kraften P-x
bestemmes av prøvetrykket (pPrøve) mot stengt ventil (eventuelt blindflens) og temperaturkraften (KΔT) ved oppvarming.

Figur 3: Eksempel på veggjennomføring med innmuringskrage

D = største innvendig diameter (m) (forutsatt elektromuffer)
d = innvendig diameter (m)
E = relaksert elastisitetsmodul (Mpa)
= temperaturutvidelses koeffisient (˚C-1)
Forankringskraften P+x bestemmes av temperaturkraften ved nedkjøling (KΔT) og tverrkontraksjonskraften (Kν) ved maksimalt driftstrykk.
Kraften P+x beregnes ved bruk av formel 8).

Eksempel på beregning av forankringskrefter i kumvegg

Et PE rør Ø600mm SDR9 skal forankres i en betongvegg i et ventilkammer via en flensekobling som vist i figur 3. På innsiden av veggen sitter en avstengingsventil med innvendig diameter 500mm. Dimensjonerende trykk ved tetthetsprøving er 21 bar. Driftstrykket vil ligge på 16 bar og
det kan forventes at PE røret kan nedkjøles 200C samt oppvarmes 50⁰C målt fra installasjonstemperaturen. Finn de dimensjonerende kreftene som virker i lengderetningen av røret i begge retninger og som skal danne grunnlaget for dimensjonering av armeringen i veggen.

1) Trykkprøving av røret med 21 bar mot stengt ventil og 50 oppvarming av PE røret.

Selv om systemet er strekkfast, vil forskjellen i elastisistetsmodul i betongen og i PE røret føre til at kraften blir overført til betongen via
innmuringskragen før PE røret får tilstrekkelig deformasjon til å oppta kraften som spenninger i rørveggen. Det vil følgelig kunne oppstå sprekker
i betongen. Resultantkraften i denne situasjonen P-x beregnes av formel 10). Siden oppvarmingen av røret er en relativt langsom prosess, anvendes en relaksert E-modul for PE på 500Mpa.

2) Normal driftssituasjon med 16 bar trykk, åpen ventil og nedkjøling av PE røret med 200 C.

I denne situasjonen vil tverrkontraksjonskraften trekke på rørveggen, siden røret ønsker å forkorte seg. Samme effekt får man ved at røret nedkjøles. Resultantkraften (P+x) beregnes av formel 8).

Vi ser altså at situasjon 1 blir dimensjonerende for armeringen av rørveggen rundt innmuringskragen. Ved store ledningsdimensjoner (D>400mm) vil vi anbefale at alle rørene forankres inn i kumveggene
med innmuringskrager. Veggene må dimensjoneres og armeres for maksimalt opptredende krefter alle forhold tatt i betraktning.

Eksempel på forankringsløsninger i kumvegg og betongkloss

Forankring av PE-ledninger til kumvegger eller i støpte forankringsklosser (vegger) kan i prinsippet utføres på 4 ulike måter.

1. Innmuringskrage av stål / duktilt støpejern med flensekobling med PE-krage og løsflens
2. Innmuringskrage av stål / duktilt støpejern med flensekobling med PE-krage og bruk av styrerør
3. Innmuringskrage av stål / duktilt støpejern med flensekobling med PE-krage og bruk av teleskoprør
4. Innmuringskrage av PE og kobling ved bruk av elektromuffe
   Løsningene er prinsipielt vist i figurene under.

Figur 4: Ulike løsninger ved tilkobling av PE rør til plasstøpte kummer eller forankringsklosser.

Det har i noen tilfeller oppstått brudd på PE-ledninger ved flensekoblinger på utsiden av kummen. Disse har sin årsak i en kombinasjon av
montasjespenninger, setningsforskjeller, temperaturkrefter og trykkrefter. Bruddet skjer gjerne i PE- kragen. En mulig løsning kan være å anvende
styrerør, eller sterkere krager med bedre utforming. Ved store ledningsdiametere (>500 mm) anbefales å vurdere bruk av teleskoprør (rør i rør) av stål som sveises sammen i ”glippen” etter at boltene i flensene er tiltrukket. På denne måten får man redusert montasjespenningene til 0.
For PE-rør finnes spesialflenser og krager med bedre statisk konstruksjon enn de tradisjonelle standardiserte løsningene. Slike flensekoblinger
bør benyttes ved dimensjoner fra Ø315 mm og oppover.

Figur 5 viser noen eksempler på noen ”gamle rørdeler” og noen innovative rørdeler som benyttes ved flenseskjøter og forankringer i betongvegger
og klosser.

Figur 5: Eksempler på rørdeler for PE i flensekoblinger og tilkoblinger til betongkonstruksjoner.

Styrerørene dimensjoneres geometrisk slik at minimum krumningsradius tilsvarer 120·D. Styrerør benyttes av følgende grunner:
• Ved fare for setninger /dårlige grunnforhold ved tilkobling til fast
betongkonstruksjon. Setninger vil føre til skjev belastning/moment på PE-kragen.
• Ved bend rett på utsiden av kum (spesielt ved dårlige masser). Ved dårlige masser kan det bli sideveis bevegelse i ledningen, som vil føre til et belastende moment på PE-kragen.
• Ved brudd i flenseskjøten vil styrerøret redusere lekkasjen betraktelig, som i de fleste tilfeller vil gi mulighet for videre drift frem til reparasjon (dvs. lengre responstid ved brudd).
• Korrosjonssikring av bolter, skiver og muttere (mere stål å korrodere på).
Det handler om å velge løsninger som reduserer spenningene i flenseskjøten mest mulig både i installasjonsfasen og driftsfasen. Spenningene i hulkilen ved PE kragen vil kunne øke med en faktor i størrelsesorden 2 til 3 sammenliknet med den generelle spenningen i rørmaterialet.

Figur 6. Eksempel på skade på PE-krage som følge av lekkasje i standard løsning med krage og løsflens. Mediet er i dette tilfellet er slurry fra gruveindustri, som er svært eroderende.

Vi må være oppmerksom på at tverrkontraksjonskrefter og temperaturkrefter (nedkjøling) gir betydelige spenninger og krefter i rørets
lengderetning under drift. Ved store dimensjoner (>400mm) vil dagens standardiserte krager og flenseløsninger kunne gi for store deformasjoner
i kragen, slik at kompresjonstrykket på pakningene blir for lite med påfølgende lekkasje.

Figur 7: Deformasjon av krage med fare for lekkasje som følge av tverrkontraksjon og temperaturspenninger (avkjøling av røret).

Det er viktig at det velges riktige typer pakninger sett i forhold til krageløsningen. Her finnes flere mulige varianter som må bestemmes i nært samarbeid med leverandøren av kragene. På grunn av spenningsrelaksasjonen i PE materialet må alle flensekoblinger ettertrekkes i overenstemmelse med leverandørenes anvisninger.
Stålkvaliteter i flenser, skiver, muttere og styrerør må være identiske, slik at man unngår galvanisk spenningskorrosjon.

BEREGNING AV PE-LEDNINGERS BEVEGELSESLENGDE I GRØFT

Figur 8 viser hvordan spenninger og tøyninger kan føre til at et rør beveger seg i grunnen i nærheten av ikke strekkfaste koblinger. Bevegelser kan også til en viss grad oppstå ved bend avhengig av komprimeringsgraden i grøfta, men begrenses av det passive jordtrykket.

Figur 8: Eksempel på hvordan et nedgravd rør beveger seg som følge av temperaturendring og tverrkontraksjon.

Figur 9: Eksempel på forankringsløsning for å motstå temperaturendring og
tverrkontraksjon.

Dersom man velger å støpe forankringsklosser av betong, bør man stille følgende krav til betongkvaliteten og armeringen:

Fasthetsklasse min. B35, Bestandighetsklasse MF45, Maks. steinstørrelse 16mm, Kloridklasse Cl- 0,1, Minimum armeringsoverdekning 50mm,
Stålkvalitet B500C, Generell armering: Ø12 c/c 100 #.

Vi skal se på et regneeksempel med henvisning til figur 8. Et Ø710mm PE100 SDR11 rør ligger nedgravd i grøft mellom 2 ikke strekkfaste muffer.
Høyden fra senter rør til terrengoverflaten er H=2,0 m og grunnvannstanden står H =1,0m over senter rør. Egenvekten av jordmassene er γ γ =18kN/m³. Røret utsettes for et innvendig trykk
på p=12,5 bar = 1,25MPa og avkjøles ΔT=200C fra installasjonstemperaturen. Hvor stor lengde LMaks av ledningen vil bevege seg og hvor stor blir rørets forkortelse ved muffene? Vi kan anta en
friksjonskoeffisient mellom røret og grøftemassene på μ=0,3. Vekten av vannfylt rør tilsvarer w=4kN.

Ved å ta utgangspunkt i likevekten mellom tverrkontraksjonskraften,
den termiske kraften og friksjonskraften, kan man utlede følgende formel
for LMaks (Kfr. figur 8):

E = PE materialets relakserte E-modul (500MPa)
α = PE materialets termiske lengdeutvidelseskoeffisient (0,2·10-3)
= tverrkontraksjonstallet for PE (0,4)
D = utvendig diameter (m)
d = innvendig diameter (m)
Innsettes aktuelle verdier, får man:

Vi ser altså at 31,7m av røret i hver ende vil være i bevegelse. Hvor stor selve forkortingen ΔL av røret blir, kan bestemmes ved å integrere opp
tøyningen ε over hele den bevegelige lengden LMaks. Man får da følgende formel:

Med de rette verdiene innsatt, blir resultatet:

PE rørets totale bevegelse i hver ende blir 0,14m, hvilket er tilstrekkelig til at ledningen trekker seg ut av muffa, noe som vil medføre full lekkasjekollaps. Man må følgelig etablere forankringer som
antydet tidligere i figur 9. I tabell 2 har vi regnet ut bevegelseslengde,
bevegelse og nødvendig forankringsareal som funksjon av diameter og SDR klasse for en typisk ledningsinstallasjon.

Vi har lagt til grunn en jordoverdekning over topp rør på 2,0m, en grunnvannstand 1,5m over senter rør, en maksimal temperaturendring på -20˚C og et dimensjonerende trykk som tilsvarer full utnyttelse av SDR klassen med en sikkerhetsfaktor på 1,6. Langtids E-modul for PE på 200Mpa er benyttet. Øvrige data i samsvar med eksempelet
på side 11.

Det passive mobiliserbare jordtrykket er satt til 10 tonn/m² i beregningene.
Ved andre forutsetninger må man korrigere tallene i tabell 2, ved hjelp av formlene 11), 12), 8) og 9).

• Jordoverdekning på røret: 2 meter
• Innvendig trykk: Dimensjonerende trykk for SDR klassen, med
sikkerhetsfaktor 1,6
• Grunnvannstand: 1,5 meter over senter rør

Tabell 2: Tabellene over viser typiske tall for bevegelseslengde, bevegelse og nødvendig forankringsareal for PE 100 rør.