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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

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

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

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)

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

Celerità per condotte di diverso materiale

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. el: liner thickness (mm). a: abrasion (mm)

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


Comportamento viscoelastico

Modello di comportamento viscoelastico

Modello di comportamento viscoelastico


Comportamento viscoelastico (segue)

Risposta viscoelastica

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 = εi + εr

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:

  • Eo: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

Modello meccanico alla Kelvin-Voight


Tubazioni in PVC a pressione

Condotte in PVC a pressione

Condotte in PVC a pressione


Tubazioni in PVC a pelo libero

Condotte 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

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


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 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

Tubazioni in PEAD a pelo libero


Giunzioni per tubazioni in PEAD

Giunzioni per tubazioni in PEAD

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

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”

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”

Processo di fabbricazione "centrifugal casting"


Proprietà meccaniche del PRFV

Proprietà meccaniche del PRFV

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
  • αx,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

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

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

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

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

Tubo in PEad spiralato


Tipologie di condotte a parete strutturata (segue)

Tubo Weholite. Norma ASTM F894

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

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.

I materiali di supporto della lezione

IPPOLITO, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore, Napoli

MILANO, V., Acquedotti, Hoepli

Cataloghi vari

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