A COMPANY OF Notitie Aan : Prof.ir. A.C.W.M. Vrouwenvelder Van : ir J. Busser Datum : 2 mei 2007 Kopie : Ir. B. Derkzen; ir J. Bierling Onze referentie : N35204.20/N/501301/Rott1 HASKONING NEDERLAND B.V. WATER Betreft : Sterkteberekening T-stukken in leidingen Inleiding Bij het ontwerpen van ondergrondse leidingsystemen vormen sterkte analyses een belangrijk onderdeel van het ontwerp. Voor leidingen met kleine diameter zoals distributieleidingen voor transport van drinkwater, afvalwater of gas (lagedruk) blijven sterkteberekeningen meestal achterwege. Voor deze leidingen wordt vertrouwd op de opgave van de sterkte door de leverancier van de buizen. Voor leidingen met relatief grote diameter of voor leidingen welke gevaarlijke stoffen vervoeren dienen echter wel sterkteberekeningen te worden uitgevoerd om het ontwerp te controleren. Hetzelfde geldt voor leidingen welke belangrijke waterstaatswerken kruisen zoals waterkeringen en rijkswegen. Sterkteberekeningen van transportleidingen zijn er in principe in drie categoriën: 1. Berekening van alleen de (maatgevende) dwarsdoorsnede van de buis; 2. Liggerberekening van de leiding waarna de dwarsdoorsneden worden doorgerekend; 3. FEM: Berekening met eindige elementen methode Probleemstelling Bij het doorrekenen van een leiding volgens methode 2 (liggerberekening + dwarsdoorsneden) vormen bochten en T-stukken speciale elementen in de berekening. In paragraaf D.6 van de NEN 3650-1:2003 staat aangegeven dat voor bochten en T-stukken een reductie van de axiale buigstijfheid dient te worden aangehouden. Deze reductie van de axiale buigstijfheid ten opzichte van de normale leidinggedeelten wordt aangegeven met de flexibiliteitsfactor k. Daarnaast dienen voor bochten en T-stukken spanningsverhogingsfactoren te worden toegepast voor het berekenen van buigspanningen ten gevolge van axiale buigende momenten. Door toepassing 2 mei 2007 N35204.20/N/501301/Rott1 1/5
van deze spanningsverhogingsfactoren (i x en i y ) worden in de berekeningen van de dwarsdoorsneden de buigspanningen ter hoogte van bochten en T-stukken verhoogd. Tot voor kort waren de flexibiliteitsfactoren en spanningsverhogingsfactoren in de NEN3650-1:2003 alleen voorgeschreven voor bochten. In de aanvulling op de norm NEN3650-1/A1 (augustus 2006) zijn deze factoren ook voorgeschreven voor T-stukken. Hierbij wordt verwezen naar de ASME B31.8 (gas transmission and distribution piping systems) bijlage E. Indien met deze factoren wordt gerekend dan nemen de buigspanningen ter plaatse van een T-stuk fors toe. Hierdoor kunnen de buigspanningen tot 12x zo hoog zijn voor het T-stuk ten opzichte van de rest van de leiding. Een T-stuk dient volgens deze rekenregels daarom vaak veel zwaarder te worden gedimensioneerd dan de aansluitende leidinggedeelten. Welke gevolgen de aanwezigheid van het T-stuk heeft voor de buigspanningen in omtreksrichting staat niet omschreven in de NEN3650-1:2003. Voor bochten staat aangegeven dat de spanningsverhogingsfactoren in omtreksrichting (i y ) 2x zo hoog zijn als de spanningsverhogingsfactoren in langsrichting (i x ): I y = 2*i x. Deze regel mag echter niet zomaar worden toegepast voor T-stukken. In het programma PLE wordt een reductie van de wandbuigstijfheid toegepast om de ringvervormingen en spanningen ter hoogte van het T-stuk te bepalen. Of deze methode betrouwbare waarden geeft is niet bekend. Probleemstelling: 1. Zijn de waarden van de spanningsverhogingsfactoren voor axiale buigspanningen t.p.v. T-stukken conform de ASME B31.8:2003 reëel? 2. Hoe om te gaan met de spanningen in omtreksrichting ter hoogte van T-stukken? (staat nog niet in de norm aangegeven) 2 mei 2007 N35204.20/N/501301/Rott1 2/5
Uitgangspunten Wij willen voor dit onderzoek uitgaan van transportleidingen uitgevoerd in staal. Leidingen voor transport van olie of gas worden hoofdzakelijk uitgevoerd in staal. Verder is staal een materiaal dat goed in de normen wordt beschreven en gedefinieerd, waardoor het materiaal onafhankelijk is van leverancier. Materiaal: staal Staalkwaliteit: API 5L Gr B én/of API 5L Gr X70; T-stuk: aftak haaks op doorgaande leiding (90º); Inwendige druk: drukloos, 1,0 MPa (10 bar) en 10 MPa (100 bar); Diameter buis: variabel tussen 200 <= De <= 1200 mm; Diameter aftak: variabel in relatie tot doorgaande leiding; Buigspanningen: in-plane moment en out-of-plane moment; Type T-stuk: conform bijlage E van ASME B31.8:2003. Mogelijke Aanpak Voorlopig Plan van Aanpak (start van stage); Literatuurstudie; Definitief Plan van Aanpak; Berekeningen FEM (DIANA) en liggerberekeningen (PLE of DIANApipe); Rapportage. Het daadwerkelijke onderzoek zal bestaan uit het uitvoeren van een literatuurstudie, waarna een definitief Plan van Aanpak kan worden opgesteld. In dit definitieve Plan van Aanpak worden de probleemstelling en de doelstelling(en) van het onderzoek vastgesteld en wordt het onderzoek ingeperkt. Bijvoorbeeld door (voorlopig) uit te gaan van één staalkwaliteit in plaats van meerdere kwaliteiten. Uiteindelijk dienen sterkteberekeningen te worden gemaakt op basis waarvan een rapportage wordt vervaardigd. Als voorbeeld van een berekening van een T-stuk met de FEM methode is op de volgende bladzijde een figuur opgenomen, met daarin de vervorming van een T-stuk bij een bepaalde belasting. 2 mei 2007 N35204.20/N/501301/Rott1 3/5
Programmatuur Diana (FEM) Diana-pipe (liggerberekening met dwarsdoorsneden) PLE (liggerberekening met dwarsdoorsneden) 2 mei 2007 N35204.20/N/501301/Rott1 4/5
Organisatie Royal Haskoning Binnen Royal Haskoning is plaats voor een afstudeerstage waarin bovenvermelde probleemstelling wordt onderzocht. Deze stage kan begeleid worden door onderstaande personen. Voor het uitvoeren van FEM berekeningen kan het programma DIANA van TNO beschikbaar worden gesteld. Locatie: kantoor Royal Haskoning in Rotterdam (afslag Alexander langs de A20, met trein en auto goed bereikbaar). Ir. J. (Jan) Busser Ir B. (Bianca) Derkzen engineer transportleidingen mechanical en structural engineer De divisie Water en de divisie Infrastructuur van Royal Haskoning ontwerpen voor diverse klanten transportleidingsystemen. Zo zijn de figuren uit deze notitie afkomstig van de aanleg van een ruwwater transportleiding (de koppelleiding) Ø 1800 mm van EVIDES op de zuiveringslocatie Beerenplaat. Royal Haskoning maakte het ontwerp van deze leiding en was tevens belast met het toezicht tijdens de uitvoering van het werk. Ook is Royal Haskoning bijvoorbeeld als onderdeel van SEGMEER betrokken bij het ontwerp van afvalwater transportleidingen voor de nieuwe AWZI van het Hoogheemraadschap van Delfland in de Harnaschpolder. Verder toetsen wij vergunningaanvragen welke bij Rijkswaterstaat worden ingediend voor het uitvoeren van bijvoorbeeld boringen onder rijkswegen of primaire waterkeringen. Contact: ir J. (Jan) Busser Division Water Haskoning Nederland B.V. a company of Royal Haskoning P.O. Box 8520 3009 AM Rotterdam The Netherlands Tel.: +31(0)10 2865521 Fax: +31(0)10 4209084 E-mail: j.busser@royalhaskoning.com Internet: www.royalhaskoning.com 2 mei 2007 N35204.20/N/501301/Rott1 5/5