Антисейсмические опоры и крепления

P. Mariani

 

При сейсмических толчках на трубопроводную сеть воздействуют нагрузки, значительно превосходящие ее собственный вес, поскольку к нему добавляются вес транспортируемой жидкости и вес теплоизолирующих и защитных материалов. Это требует увеличения жесткости всей трубопроводной структуры и организации надежного сопротивления воздействию перегрузок, возникающих вследствие сейсмических явлений.

Чтобы наиболее полно осветить проблему проектирования трубопроводных сетей в антисейсмическом исполнении рассмотрим в качестве примера объект, представляющий в этом отношении наибольшую сложность – больницу, имеющую стратегическое значение. Типичный набор инженерных коммуникаций, располагающихся на подвесных креплениях (рис. 1), включает в себя трубопроводы, которые эксплуатируются в стабильном температурном режиме и не имеют значительного температурного расширения: холодный водопровод санитарной, технической воды, сети пожаротушения, охлаждающая и охлажденная вода, сжатый воздух и другие жидкотекучие тела, температура которых практически неизменна, а также трубопроводы, работающие в непрерывном динамическом режиме «включения-выключения» или изменения расхода, вызывающем наибольшие температурные расширения в переменном режиме: паропроводы, теплопроводы систем отопления, теплоснабжения, перегретой воды, водопровод горячей санитарной воды.

Рисунок 1. Подвесные крепления инженерных коммуникаций под перекрытием

Трубопроводы обычно прокладывают параллельно друг к другу с перпендикулярными пересечениями и ответвлениями. В такой сети необходимо обеспечить достаточное пространство и зазоры для температурного удлинения и возвращения к исходным размерам.

При вероятности сейсмических воздействий каждая рассматриваемая конструкция рассчитывается на прогнозируемую удельную и наибольшую интенсивность, определяемые в зависимости от сейсмической зоны. Задача проектировщика – обеспечить сохранение работоспособности трубопроводной сети во время и непосредственно после сейсмического воздействия с учетом сейсмических сил, возникающих при наибольшем горизонтальном ускорении ag (части ускорения силы тяжести), характерной для конкретной сейсмической зоны по классификации, приведенной в табл. 1.

Таблица 1 Максимальное горизонтальное ускорение для категории А

Сейсмическая зона Значение ag 1 0,35 g 2 0,25 g 3 0,15 g 4 0,05 g

Примечание: из Приложения 1 к Постановлению Совета министров от 20.03.2003 года № 3274

Работоспособность трубопровода обеспечивается способностью противостоять разрушению (коллапсу) коммуникационных сетей, гарантировать минимальное количество возможных повреждений, локализуемых в каждом сетевом контуре и возможностью безопасного присутствия людей и использования помещений и сетей объекта по прямому назначению.

Стойкость к разрушению обусловлена, прежде всего, общей способностью трубопроводной сети гибко (эластично) реагировать на смещение строительной конструкции.

Минимальное количество возможных повреждений обеспечивается сопротивлением каждого элемента сети сейсмическому воздействию.

Возможность немедленного использования объекта зависит, главным образом, от структурной жесткости самого здания.

В качестве примера всестороннего антисейсмического анализа, охватывающего практически все основные принципы проектирования инженерных сетей, рассмотрим сети инженерных коммуникаций больницы, имеющей восемь надземных этажей и располагающегося в первой сейсмической зоне.

Данный пример иллюстрирует экстремальные расчетные условия в части:

– интенсивности вероятного сейсмического события;

– стратегического значения объекта непосредственно после сейсмического события;

– наличия трубопроводов, транспортирующих различные жидкости, в том числе с высокой температурой и давлением;

– расчета нагрузок на верхние этажи здания.

Рассматриваемое в данном примере здание отвечает всем требованиям строительных технических регламентов, а также требованиям антисейсмического регулирования, действующего в нашей стране , с учетом опыта, накопленного рабочей группой АТС 51-2 в ходе взаимных обследований больничных учреждений в Италии (гг. Порденоне, Анкона и Катания) и калифорнийском заливе Сан-Франциско (рис. 2), и соответствующих рекомендаций.

Рисунок 2. Больница на этапе строительства (залив Сан-Франциско). Используются крепления и распорки ненесущих (неструктурных) элементов

При этом не представляется возможным, с учетом действующих регламентов и имеющейся сегодня статистики, сформулировать адаптированные принципы проектирования для зданий, не отвечающих требованиям действующего антисейсмического регулирования, поскольку неопределенными остаются параметры ответной реакции таких объектов на сейсмическое воздействие, что ставит под вопрос самую возможность детализировать каким-либо образом организацию опор и креплений. Несмотря на это, рекомендации, сформулированные в данной публикации, могут успешно использоваться для улучшения параметров жесткости инженерных сетей, в том числе при реконструкции объектов, построенных до принятия регламентов.

Пример экстремальных условий

Схема инженерных сетей представлена на рис. 3 – магистральные трубопроводы проложены горизонтально под перекрытием подземного этажа (перекрытие из железобетона) и вертикально. На других рисунках представлены опорные рамы с различными креплениями и распорками, спроектированные группой специалистов, специально сформированной в июне 2005 года при техническом отделе компании «Фишер Италия С.р.л.» (Fisher Italia S.r.l., г. Падуя), в которой помимо автора данной публикации участвовали Марко Бонанни и Стефано Бординьона из компании «Фишер» и независимые специалисты Микеле Бузетто и Бруно Лио.

На опорной раме (консоли) смонтировано 8 стальных магистральных трубопроводов:

– трубопроводы подачи пара и отвода конденсата (паропровод и конденсатопровод);

– подающий и обратный трубопроводы горячей воды зимнего отопления и охлажденной воды летнего кондиционировании с коммутацией режимов «зима/лето»;

– подающий и циркуляционный трубопровод горячей санитарной воды;

– трубопровод холодной санитарной воды;

– трубопровод пожаротушения.

Стояки поднимаются на высоту 9-го уровня и входят в тепловой пункт крышного типа, состоящий из:

– парогенератора для производства дезинфицированного пара низкого давления, используемого для увлажнения помещений;

– кондиционера с теплообменником, использующегося для летнего охлаждения и удаления влаги и зимнего отопления с переключением режима «зима/лето».

От магистралей запроектированы ответвления:

– на первом уровне – к паровому стерилизатору;

– на втором (так же как и на крыше) – к калориферам воздухоподготовки «зима/лето»;

– на четвертом и восьмом – к поэтажным разводкам горячей и холодной воды;

– на втором и шестом – к противопожарным кранам (гидрантам).

Противопожарный стояк поднимается до верхнего уровня, где на крыше установлен противопожарный кран DN 65 с разъемами для пожарного водоотбора.

Из восьми перечисленных трубопроводов шесть подвержены температурному удлинению:

– пар, давление 12 бар, расчетная температура до 190 °С;

– конденсат, температура 100 °С;

– отопление, температура 80 °С;

– горячая санитарная вода, температура 60 °С.

Эти трубопроводы стальные и оборудованы температурными компенсаторами, размещенными в начале горизонтальных магистральных трубопроводов и рассчитанными с учетом длины труб около 40 м и температурного удлинения:

– 120 мм для паропровода;

– 60 мм для конденсатопровода и трубопроводов отопительного;

– 40 мм для подающего и циркуляционного трубопроводов горячей санитарной воды. Кроме компенсаторов часть температурного расширения поглощается в точках изменения направления на концевых участках, что необходимо учитывать при расчете крепежных элементов для компенсации боковых смещений.

На этажах диаметры трубопроводов уменьшаются и они оборудуются температурными компенсаторами, как показано на рис. 3. Подающие и обратные трубопроводы горячей санитарной воды компенсаторов не имеют, учитывая, что температура их ниже и основная компенсация обеспечивается в концевой точке на восьмом уровне.

Рисунок 3 (подробнее)   Схема инженерных сетей для транспортировки различных жидкостей: горизонтальная часть подвешена к железобетонному перекрытию подземного этажа, вертикальная часть крепится к железобетонной стене и поднимается до верхнего уровня

Виды и параметры нагрузок в условиях текущей эксплуатации

При оценке механического сопротивления и жесткости трубопроводной сети необходимо учитывать диаметры труб и на их основе определять вид и типоразмер опорных конструкций. На рис. 4 показан разрез сети, представленной со стороны А–А (рис. 3).

Восемь трубопроводов проложены на расстоянии 200 мм друг от друга, достаточном для теплоизоляции каналов, крепления хомутов и обслуживания труб (чтобы внутрь консоли свободно проходила рука обслуживающего специалиста). Межосевые расстояния унифицированы по всей сети. Над подающим трубопроводом горячей санитарной воды закреплен циркуляционный трубопровод, поскольку последний имеет небольшой диаметр и имеет тенденцию к проседанию на участках между установленными опорными точками. Такое решение позволило уменьшить ширину консоли, поскольку трубы, подающие одинаковую жидкость, соединены хомутами и болтами. Для исключения провисания циркуляционного трубопровода DN 20 целесообразно установить дополнительные опоры на участке между основными опорными точками. Это дает определенную экономию, т. к. расстояние между опорами можно принять до 3 м для стальных трубопроводов диаметром не менее DN 50. На других участках встречается трубопровод еще меньшего диаметра, как, например, трубы из оцинкованной стали DN 40 и труба из нержавеющей стали DN 32 для доставки конденсата. В этих случаях межосевое расстояние также составляет 3 м, хотя во многих технических каталогах  для такого трубопровода устанавливается расстояние между опорами 2,8 м. Но с учетом того, что в нашем случае опоры специальным образом дооборудованы (компенсационными салазками), то фактический пролет между ними составляет 2,88 м, а такое отклонение можно уже считать допустимым.

Рисунок 4. Схема крепежа первой консоли, вид со стороны А–А (рис. 3), на восемь трубопроводов. Шесть (1–6) из них требуют обеспечения температурной компенсации. Три (3, 4, 7), предназначенные для доставки холодной воды , имеют противоконденсационную изоляцию. Трубопровод (6) имеет малый диаметр и проложен непосредственно над трубопроводом (5), поскольку по обоим транспортируется жидкость с одинаковыми характеристиками

Рисунок 5. Фрагмент разреза и вид опоры трубопровода с компенсационными салазками и направляющим хомутом в аксонометрической проекции

Исходя из диаметра трубопровода и теплоизоляции с учетом сложившейся практики выполняется расчет опорной рамы. Для рамы используется профиль 40/60, который монтируется полостью вверх, чтобы обеспечить свободное размещение компенсационных салазок (скользящих опор). Последние, имея минимальное сопротивление трению и бесшумность, отличаются хорошей функциональностью и крепятся при помощи двух хомутов, концы которых минимально допустимой длины крепятся в соответствующих отверстиях в салазках, как показано на рис. 5. Под хомуты устанавливают полувкладыш из минеральной ваты, если по каналу предусмотрена подача пара и конденсата, либо из минеральной ваты или пенополиуретана для других видов трубопровода. Используемый материал должен соответствовать определенным параметрам плотности, сопротивления сжатию, тепловой устойчивости и паронепроницаемости в зависимости от вида жидкости в трубопроводе. Опорные хомуты и хомуты компенсационных салазок для обеспечения подвижности крепятся к профилю 40/60 винтами и затягиваются гайкой с контргайкой.

В данном случае использованы компенсационные салазки, а не ролики, показанные на рис. 6, где представлена монтажная консоль трубопровода, требующего обязательной тепловой компенсации. Такой вариант также не исключается, но в этом случае необходимо учитывать следующие обстоятельства:

– в теплоизолирующем слое на участке компенсационных роликов обязательно будет разрыв, что недопустимо для каналов подачи холодной и охлажденной воды;

– в случае бокового смещения трубопроводный канал может выйти из гнезда;

– в случае сейсмического воздействия могут вылететь и сами гнезда.

Рисунок 6. Монтаж трубопроводной сети на этапе строительства. Крепление каналов на компенсационных роликах требует выполнения разрывов в теплоизолирующем слое, кроме того, в случае бокового смещения трубопроводный канал может выйти из гнезда

Рисунок 7. Монтаж трубопроводной сети на этапе строительства. Подвеска трубопроводов обеспечивает свободу перемещения трубы, легкость монтажа теплоизоляционного покрытия, но требует использования большого числа распорочных антисейсмических креплений. Кроме того, для монтажа требуется установка специальных опорных лесов для временной укладки трубопроводной консоли

При проектировании рассматривался вариант подвески трубопроводов (рис. 7), но был принят вариант, показанный на рис. 4 с расположением труб внутри опорной рамы. Разработчики руководствовались при этом соображениями чисто практического плана, поскольку после установки ряда хомутов, как показано на рис. 4, все дальнейшие операции упрощаются: монтаж каналов, крепление, анкеровка, обработка соединений и пр. выполняются безо всяких монтажных лесов при помощи одной полужесткой люльки для монтажников. Нагрузка на крепежные элементы следующая:

– вес на погонный метр консоли, который надо увеличить на 10 % на вес хомутов, ответвлений и пр., определяется по таблице;

– первый трубопровод стальной, заполнен водой во время испытаний на герметичность, и имеет оболочку из полувкладышей из минеральной ваты;

– второй трубопровод из нержавеющей стали;

– трубопроводы 3 и 4 также стальные, но имеют оболочку из пенополиуретана с антиконденсационной пропиткой;

– трубопроводы 5 и 6 из оцинкованной стали с пенополиуретановой теплоизоляцией;

– трубопровод 7 из оцинкованной стали с антиконденсационным покрытием;

– трубопровод 8 стальной без покрытия.

Ключевыми считаются три участка консоли. Крепежный узел XVII со стороны С–С несет на себе вес горизонтальной части консоли плюс часть веса вертикальной прокладки. Узлы XVIII, XXI и XXIV представляют собой точки жесткой фиксации, уменьшающие фактический вес участка. Структурные расчеты, выполненные в лаборатории техотдела компании «Фишер», основаны на данных из каталога «Фишер СаМонтек» издания 2004 года и приведены в табл. 2.

Таблица 1

Трубопровод вид А–А вид С–С вид D–D Позиция Транспортируемая среда DN (газ) кг/м DN (газ) кг/м DN (газ) кг/м 1 Пар 80 (3”) 20,4 65 (2”1/2) 14,8 65 (2”1/2) 14,8 2 Конденсат 50 (2”) 9,5 32 (1”1/4) 5,2 32 (1”1/4) 5,2 3 Подающий трубопровод отопления и конди-ционирования 65 (2”1/2) 14,8 50 (2”) 10,5 50 (2”) 10,5 4 Обратный трубопровод отопления и конди-ционирования 65 (2”1/2) 14,8 50 (2”) 10,5 50 (2”) 10,5 5 Подающий трубопровод горячей санитар-ной воды 50 (2”) 11,4 40 (1”1/2) 8,0 32 (1”1/4) 6,2 6 Циркуляционный трубопровод горячей са-нитарной воды 20 (3/4) 3,2 20 (3/4) 3,2 20 (3/4) 3,2 7 Холодная вода 50 (2”) 11,4 40 (1”1/2) 8,0 32 (1”1/4) 6,2 8 Пожарный водопровод 65 (2”1/2) 10,2 65 (2”1/2) 10,2 65 (2”1/2) 10,2 Увеличение 10 % 9,5   7,0   6,7   Общий вес, кг/м 105,2   77,4   73,5

Расчетный вес трубопроводной консоли в кг/м в трех различных позициях, обозначенных на рис. 3. Вид D–D дан для вертикального монтажа

В отсутствие сейсмических смещений общая нагрузка на участке А–А в расчете на каждое крепление составляет около 315 кг при длине пролета между креплениями 3 м.

Объем нагрузки меньше на участках В–В и С–С из-за меньшего диаметра трубопровода, но габариты самих креплений остаются неизменными для унификации используемых узлов и материалов.

Рисунок 8. Крепление стояков

Рисунок 9. Неподвижное крепление стояков с использованием подвижных креплений (салазок)

Расчет опорной рамы производился с учетом указанных нагрузок и значения пролета 1,4 м. По опыту и на основании рекомендаций технических каталогов авторы проекта использовали профиль 40/60, полностью отвечающий требованиям трубопроводной системы данного конкретного случая, оговорив необходимость подтверждения выбора по результатам дополнительных структурных испытаний.

Для вертикальной прокладки использован профиль 38/40 с креплением непосредственно к железобетонной стене. На некоторых креплениях смонтированы компенсационные салазки и хомуты, обеспечивающие температурную компенсацию труб как показано на рис. 3. Другие крепления, как показано на рис. 3 и 8, образуют неподвижные опоры, обеспечивающие жесткое крепление стояка к строительной конструкции.

Крепление рамных элементов выполнялось по стандартам компании «Фишер» с использованием механического или химического вкладышей (рис. 9).

 

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI № 11/2005

Перевод  с итальянского С. Н. Булекова

Техническое редактирование В. Н. Исаева

Продолжение в следующем номере