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Maurizio Giugni » 8.Tubazioni per il convogliamento a pressione ed a pelo libero: materiali sintetici e compositi

Materiali plastici e compositi

Esempi di catene polimeriche

Materiali plastici e compositi (segue)

Leggerezza, con conseguenti possibili economie nel trasporto e nella posa in opera
Elasticità, con possibilità di adattare la condotta alle caratteristiche del terreno e di assorbirne eventuali assestamenti
Elevata resistenza chimica ed elettrochimica, sia ai sali disciolti in acqua che alle sostanze acide ed alcaline presenti nei reflui
Elevata resistività elettrica (ottime caratteristiche d’isolamento)
Elevata resistenza all’abrasione
Ridotte resistenze al moto (tubi lisci) ed incremento di esse nel tempo (a tubo usato) in pratica trascurabile
Ridotta aderenza delle incrostazioni
Ridotti valori della celerità di colpo d’ariete

Caratteristiche idrauliche

In generale le resistenze al moto per tubazioni in materiale sintetico risultano sensibilmente minori rispetto a quelle desumibili per condotte di materiali “tradizionali”
Le tubazioni in materiale plastico non “invecchiano” – per quanto concerne la scabrezza – anche dopo lunghi periodi di esercizio
Il convogliamento di acque reflue potrebbe comunque dar luogo a fenomeni di adesione e/o incrostazione
Atteso il modesto valore delle perdite di carico distribuite, il dimensionamento idraulico delle condotte in materiale plastico potrà risultare più sensibile agli effetti localizzati (giunzioni, derivazioni, raccordi) rispetto a quello di condotte “tradizionali”

Caratteristiche idrauliche (segue)

Il comportamento delle tubazioni in materiale sintetico, almeno per valori del numero di Reynolds Re d’interesse applicativo (Re=10⁴|10⁶), è correttamente interpretato dalle leggi del moto per tubi lisci.

λ: indice di resistenza
Re: numero di Reynolds
J: cadente piezometrica
V: velocità media
D: diametro della condotta

Caratteristiche idrauliche (segue)

Blasius per 4.000 < Re < 100.000

La combinazione delle equazioni di Blasius e di Darcy - Weisbach fornisce l'espressione seguente, in cui il coefficiente K dipende dal valore della viscosità cinematica

Celerità

Tubo di sezione geometrica costante. Materiale elastico (proporzionalità diretta tra sforzo alla parete e deformazione)

Celerità per condotte di diverso materiale

Effetti di moto vario

Effetti “contrastanti” dei ridotti valori della celerità per condotte a gravità semplice:

riduzione delle sovrappressioni per “manovra brusca”
incremento del ritmo della tubazione

In linea generale occorre effettuare adeguate valutazioni numeriche.

Resistenza all’abrasione

SFa: abrasion safety factor. e_l: liner thickness (mm). a: abrasion (mm)

Comportamento viscoelastico

Modello di comportamento viscoelastico

Comportamento viscoelastico (segue)

Risposta viscoelastica

Viscoelasticità

Per i materiali viscoelastici ad una variazione istantanea del regime delle tensioni corrisponde non solo una deformazione elastica istantanea, ma anche una successiva deformazione elastica ritardata nel tempo ed una deformazione ritardata viscosa (o di scorrimento):

ε = ε_i + ε_r

Viscoelasticità (segue)

Ai fini dell’analisi della risposta dinamica, il comportamento viscoelastico può essere anche simulato mediante un modello meccanico alla Kelvin – Voight, in cui:

E_o:modulo elastico del materiale
E₁:modulo elastico della molla dell’elemento molla-smorzatore
η: coefficiente di viscosità dello smorzatore
τ =η/E₁: tempo di ritardo dell’elemento molla-smorzatore (indicativo della velocità di risposta del materiale alle sollecitazioni)

Modello meccanico alla Kelvin-Voight

Tubazioni in PVC a pressione

Condotte in PVC a pressione

Tubazioni in PVC a pelo libero

Condotte in PVC a pelo libero

Giunzioni per tubazioni in PVC

Canne da 6 o da 12 m

Giunzione a bicchiere con anello elastomerico, eventualmente preinserito a caldo

Giunto per condotte in PVC

Tubazioni in PEAD a pressione

Tubi in Polietilene ad alta densità (PEAD) PE100 conformi alla norma UNI 10910.

Produzione

PN 6.3 SDR 26: da 250 mm a 1000 mm
PN 10 SDR 17: da 50 mm a 1000 mm.
PN 16 SDR 11: da 32 mm a 630 mm.
PN 25 SDR 7,4: da 20 mm a 450 mm

Lunghezze

da DN 25 a DN 110: rotoli da m 100
da DN 90 a DN 1000: barre da 6 e 12 m

Tubazioni in PEAD a pressione

Tubazioni in PEAD a pressione (segue)

Tubi in Polietilene ad alta densità PE80 conformi alla norma UNI 10910.

Produzione

PN 5 SDR 26: da 160 mm a 1000 mm
PN 8 SDR 17: da 50 mm a 1000 mm
PN 12.5 SDR 11: da 32 mm a 630 mm
PN 20 SDR 7.4: da 20 mm a 450 mm

Lunghezze

da DN 25 a DN 110: rotoli da 100 m
da DN 90 a DN 1000: barre da 6 e 12 m

Tubazioni in PEAD a pressione (segue)

Tubi in Polietilene a bassa densità (PEBD) conformi alla norma UNI 7990 serie PE 32 tipo 312.
Produzione

PN 4: da 16 mm a 75 mm
PN 6: da 16 mm a 110 mm
PN 10: da 16 mm a 63 mm

Lunghezze

Rotoli da metri 100 – 200 – 300 – 500 in funzione del diametro e della pressione richiesta.

Tubazioni in PEBD a pressione

Tubazioni in PEAD a pelo libero

Tubi in Polietilene ad alta densità per convogliamento di acque di scarico civili e industriali, conformi alle norme UNI 7613 tipo 303.

Produzione

PN 3,2: da 110 mm a 1000 mm

Lunghezze

da DN 110 a DN 1000: barre da metri 6 e 12

Tubazioni in PEAD a pelo libero

Giunzioni per tubazioni in PEAD

Tubazioni in PRFV

La Vetroresina è un materiale composito, costituito da una fase continua (matrice in resina termoindurente) che ingloba una fase fibrosa di vetro, continua o discontinua.

Sotto il nome di Poliestere Rinforzato da Fibre di Vetro (PRFV), in effetti, si possono trovare materiali con proprietà meccaniche molto diverse, in funzione dei seguenti fattori:

tipo di resina
tipo e caratteristiche geometriche del rinforzo in fibra di vetro
orientamento delle fibre di rinforzo
eventuale presenza e quantità di cariche inerti (filler)
tecnologie di realizzazione, del tipo ad avvolgimento filamentare (filament winding) ovvero per centrifugazione (centrifugal casting)

Tubazioni in PRFV (segue)

Tipologie di impiego:

A pressione
A pelo libero
Nei settori:
- Acqua potabile
- Acque reflue
- Scarichi sottomarini
- Irrigazione
- Prodotti chimici
- Fluidi alimentari

Tubazioni in PRFV

Classi di tubazioni

Classe A: Tubi a filamento continuo prodotti su mandrino.

Classe B: Tubi a filamento continuo prodotti su mandrino con rinforzo su tubi di PVC.

Classe C: Tubi a filamento continuo prodotti con cariche minerali.

Classe D: Tubi monopareti prodotti per centrifugazione.

Classe E: Tubi monopareti prodotti su mandrino rinforzati.

Classe F: Tubi a doppia parete prodotti su mandrino.

Produzione di stabilimento

Produzione di stabilimento:

DN 25 – 3050.
PN 2.5, 4, 6, 10, 12.5, 16, 20, 25 bar.
SN 630 – 10.000.

Lunghezza barre: 6 m – 12 m (DN > 150)

Giunzioni

a bicchiere con guarnizione elastomerica (eventualmente doppia)
a bicchiere con dispositivo antisfilamento
a manicotto
di testa con fasciatura (saldata)
a flangia

Normativa

ISO (10468, 10639)
ASTM
AS 2566
BS 5480
AWWA (C950, M45)
JIS A5350
DIN (19565, 16869)
UNI 9032
pr EN 1796 (2001) water supply
pr EN 14364 (2002) drainage and sewerage

Filament winding

Strato esterno (gel coat): resina pura non rinforzata:

impregnazione delle fibre di vetro periferiche
protezione dall’abrasione, dalla aggressione chimica degli agenti esterni, dalle radiazioni UV

Strato meccanico resistente, eventualmente “caricato” con inerti:

resistenza meccanica della parete del tubo.

Strato chimico resistente (liner), a diretto contatto con il fluido:

impermeabilità della parete del tubo
resistenza all’abrasione ed all’attacco chimico del fluido
superficie interna liscia (caratteristiche idrauliche)

Processo di fabbricazione "filament winding"

Centrifugal casting

Strato protettivo esterno
Strato di rinforzo esterno (resina, fibre di vetro)
Strato intermedio (resina, fibre di vetro, cariche)
Strato di irrigidimento (resina, fibre di vetro, cariche)
Strato intermedio (resina, fibre di vetro, cariche)
Strato di rinforzo interno (resina, fibre di vetro)
Strato barriera
Strato interno ad alta concentrazione di resina

Processo di fabbricazione "centrifugal casting"

Proprietà meccaniche del PRFV

Rigidezza anulare specifica iniziale (norma UNI EN 1115-1)

Rigidità nominale (SN)
630 N/m2
1250 N/m2
2500 N/m2
5000 N/m2
10000 N/m2

Pressione nominale (PN)
2.5 – 4 – 6 – 10 – 12.5 – 16

E: modulo apparente di elasticità in direzione circonferenziale (prova di rigidità anulare EN 1228)
I: momento d’inerzia trasversale della striscia unitaria di parete del tubo rispetto all’asse neutro della parete strutturalmente resistente
Dm, s: diametro medio e spessore della condotta

Rigidezza anulare specifica a lungo termine

La rigidezza a lungo termine tiene conto del long-term creep factor su una operational lifetime di 50 anni.

Viene valutata mediante test di laboratorio (ISO 10468 e EN 1225) estrapolati a 50 anni.

Valori tipici della SN50 sono dell’ordine del 40|65% della SN.

x : tempo trascorso (anni)
normale esercizio = 50 anni = 438.000 ore
α_x,wet : fattore di scorrimento (creep) a umido

Le tubazioni a parete strutturata

La tecnologia del tubo a parete strutturata consente di utilizzare il PE per produrre tubazioni di notevole diametro e spessore non proibitivo, caratterizzate da elevata rigidezza circonferenziale, conseguita grazie a costolature di diversa tipologia.

Progetto di norma di supporto : prEN 13476-1

Thermoplastics piping systems for non-pressure underground drainage and sewerage – Structured-wall piping systems of unplasticized poly(vinyl chloride) (PVC-U), polypropylene (PP) and polyethylene (PE) – Part 1: Specifications for pipes, fittings and the system (M/118).

Autore: CEN – TC 155.

Nota: In approvazione.

Progetto di norma prEN 13476-1

Il progetto di norma prevede:

parete tipo A1 : costruzione multistrato o a parete cava con sezioni cave assiali
parete tipo A2 : costruzione a pareti cave con sezioni di forma spiralata o radiale
parete tipo B : costruzioni corrugate o costolate

Progetto di norma prEN 13476-1 (segue)

Parete tipo A1. Costruzione multistrato o a parete cava con sezioni cave assiali

Progetto di norma prEN 13476-1 (segue)

Parete tipo A2. Costruzione a pareti cave con sezioni di forma spiralata o radiale

Progetto di norma prEN 13476-1 (segue)

Parete tipo B. Costruzioni corrugate o costolate

Tipologie di condotte a parete strutturata

Tubo in PEad coestruso a doppia parete corrugato esternamente. prEN 13476-1 tipo B

Tipologie di condotte a parete strutturata (segue)

Tubo in PEad spiralato

Tipologie di condotte a parete strutturata (segue)

Tubo Weholite. Norma ASTM F894

Tipologie di condotte a parete strutturata (segue)

Tubo di PVC rigido a parete strutturata. Tipo AlveHol - GDW. prEN 13476-1

La rigidezza circonferenziale

Norma UNI EN ISO 9969

Tubi di materiale termoplastico – Determinazione della rigidità anulare (Thermoplastic pipes – Determination of ring stiffness).

“La rigidità anulare viene determinata misurando la forza e la deformazione prodotte nel corso dell’ovalizzazione del tubo con una velocità costante di ovalizzazione. …. La rigidità anulare si calcola in funzione della forza necessaria a produrre un’inflessione pari a 0.03 di del diametro interno del tubo.”

Nel caso delle tubazioni strutturate la rigidezza anulare viene determinata sulla scorta del modulo di elasticità del materiale e dei risultati sperimentali.