123

Zuzanna ŁEPKOWSKA

1

Bogusław MYSZKIEWICZ

2

POLIETYLEN WYSOKIEJ GĘSTOŚCI PE-HD W PRAKTYCE

ODWADNIANIA MOSTÓW

Referat przedstawia właściwości polietylenu wysokiej gęstości PE-HD. Opisane zostały możliwości

niwelowania wad materiału. Omówiono zasady montażu oraz dobór kompensacji instalacji odwadniającej z rur
i kształtek PE-HD.

1. Wstęp

Jednym z materiałów powszechnie stosowanych na świecie do grawitacyjnego odprowadzenia wód

deszczowych z obiektów mostowych jest polietylen wysokiej gęstości PE-HD. Ze względu na
właściwości materiału oraz technologie wykonywanych połączeń systemy kanalizacyjne wykonane
z PE-HD gwarantują prawidłowe funkcjonowanie instalacji przez ponad 50 lat, co jest niezwykle
ważne, szczególnie w przypadku konieczności zabetonowania części instalacji w konstrukcji mostu.

2. Właściwości polietylenu

Polietylen należy do miękkich i elastycznych termoplastów, powstaje w wyniku polimeryzacji

etylenu. Wysoka gęstość materiału zwiększa trwałość, odporność na uderzenia nawet w ekstremalnie
niskich temperaturach (aż do ok.-40

° C). Dzięki swojej elastyczności wypełnione wodą rury z PE-HD

nie pękają po zamarznięciu i powracają nieuszkodzone do pierwotnego kształtu po rozmrożeniu.

Szczególnie ważną cechą materiału rur przy transporcie ścieków będących mieszaniną wody,

piasku, startej gumy, jest odporność na ścieranie. Okazuje się, że im bardziej materiał miękki
i elastyczny, tym bardziej odporny na ścieranie. W porównawczym teście ścieralności rur z PE-HD,
PVC, stali, żeliwa, kamionki, betonu i innych tworzyw sztucznych rury z PE-HD wykazały najmniejszy
ubytek grubości ścianki (0,3mm po 400 000 cykli).

Polietylen jest całkowicie odporny na działanie chemiczne czynników zewnętrznych występujących

w naturalnych warunkach (roztwory soli, kwasów, ługów, alkoholi i benzyny), a także na środki używane do
zwalczania gołoledzi na drogach. Nie jest więc potrzebna dodatkowa ochrona powierzchni rur.

1

mgr inż., Geberit Sp. z o.o.

2

mgr inż., Pracownia Projektowa „Kanał”

124

Tablica 1. Właściwości fizyczno-mechaniczne PE-HD

Cecha

Jednostki

Wielkość

Uwagi

Gęstość

kg/m

3

951 ÷ 955

tworzywo jest lżejsze od wody

Moduł sprężystości

MPa

600 ÷ 1400

Średnio 800

rury są elastyczne

Wsp. termicznej rozszerzalności
liniowej

mm/(m

o

C)

0,17

Temperatura mięknienia

o

C

~125

temperatura zgrzewania 230

o

C

Maksymalna temperatura użytkowa

o

C

80

przy ciągłej pracy

Współczynnik przewodności cieplnej

W/(m

2

o

C)

0,43

zły przewodnik ciepła

Odporność na uderzenia

kJ/m

2

15

niełamliwy do –40

o

C

Oporność właściwa

Ω cm

> 10

16

izolator

Palność

-

palny

nie wydziela substancji
szkodliwych

Współczynnik chropowatości
bezwzględnej (dla rur czystych)

mm

0,02

Wsp. chropowatości bezwzględnej
(zalecany do obliczeń)

mm

1,0

3. Cechy negatywne materiału i zapobieganie

Cechą charakterystyczną rur wykonanych z polietylenu jest znaczny skurcz wtórny materiału

spowodowany rekrystalizacją w podwyższonej temperaturze. Podczas procesu produkcji w temp. ok.
250

°C łańcuchy molekularne są rozciągane. W drugim etapie, którym jest szybkie chłodzenie,

gwałtowny spadek temperatury powoduje powstanie naprężeń na poziomie molekularnym. Tak
zamrożone naprężenia są uwalniane dopiero, gdy rura zostanie ogrzana np. promieniowaniem
słonecznym podczas składowania na placu budowy lub ściekami przepływającymi przez zmontowaną
już instalację. Aby zapobiec takiej sytuacji, rury bezpośrednio po wytłoczeniu powinny być poddawane
specjalnemu procesowi odpuszczania w gorącej kąpieli wodnej. Proces ten zabezpiecza materiał przed
niepożądanym skurczem i zwiększa bezpieczeństwo złączy podczas eksploatacji.

Rys. 1. Efekt skurczu wtórnego rur PE-HD

Przy zastosowaniach zewnętrznych materiał powinien być zabezpieczony przed szkodliwym

działaniem promieniowania ultrafioletowego (UV), które może przyspieszyć proces starzenia się
materiału. Aby temu zapobiec, w procesie produkcji wprowadza się domieszki, stabilizatory, np.
dodatek sadzy w ilości ok. 2%.

125

4. Prowadzenie przewodów

4.4. Ogólne zasady

Przewody odwadniające obiekty mostowe należy wykonać z rur o określonej sztywności

obwodowej SN:

a) w miejscach osłoniętych przed słońcem (np. zabetonowane lub ułożone w zamkniętej galerii)

SN≥2 kN/m2;

b) w miejscach nieosłoniętych SN≥4 kN/m2 lub SN≥2 kN/m2 (przewody układane na rynnach

podporowych).

Tablica 2. Zakres stosowania przewodów PE-HD

Średnica rurociągu

[mm]

160

200

250

315

Grubość ścianki

[mm]

6,2-7,1

6,2-7,1

7,7-8,7

7,7-8,7

9,6-10,8 9,7-10,9 12,1-13,6

Sztywność
obwodowa

[kN/m

2

]

SN4

SN2

SN4

SN2

SN4

SN2

SN4

Seria rur

[-]

S 12,5

S 16

S 12,5

S 16

S 12,5

S 16

S 12,5

W miejscach osłoniętych

tak

tak

tak

tak

tak

tak

tak

Nieosłonięte przewody poziome

tak

w
rynnie

tak

w
rynnie

tak

w
rynnie

tak

Przewody pionowe

tak

tak

tak

tak

tak

tak

tak

Wymagania dotyczące sposobu prowadzenia rur kanalizacji deszczowej dla obiektów mostowych

zawarte są w Rozporządzeniu [4], w rozdziale 8.

Przewody odpływowe z wpustów:
a) w przypadku wbudowania w płytę pomostu należy zabetonować (grubość otuliny nie powinna

być mniejsza niż 8 cm);

b) w przypadku przenikania przez dźwigary betonowane na budowie, należy prowadzić je w rurach

osłonowych o większej średnicy;

c) wprowadzać do przewodu zbiorczego od góry, za pomocą trójników, pod kątem ≤ 60º

mierzonym od osi podłużnej przewodu zbiorczego.

Przewody zbiorcze:
a) przenikanie przez dźwigary wykonać w specjalnych otworach,
b) wyposażyć w czyszczaki po każdym podłączeniu przewodu, zmianie kierunku oraz

w najniższym miejscu,

c) zaopatrzyć w elastyczne połączenia w miejscach przerw dylatacyjnych konstrukcji obiektu,
d) mogą być zastąpione korytami zbiorczymi zamiast elastycznych połączeń w miejscach przerw

dylatacyjnych,

e) zaopatrzyć w koryta zbiorcze w miejscu odprowadzenia do rur spustowych, jeśli długość tych rur

przekracza 20m.

Rury spustowe powinny być:
a) dostosowane swoją średnicą do przewodów zbiorczych na ich końcowych odcinkach,
b) prowadzone na zewnątrz powierzchni betonowych filarów i przyczółków; nie mogą być

wbetonowane,

c) wprowadzone do studzienek rewizyjnych lub
d) wyposażone w czyszczaki w dolnej części przy odprowadzeniu do kanału deszczowego.

Duża elastyczność przewodów z HD-PE pozwala na łatwe dopasowanie tras rurociągów do

konstrukcji mostowych biegnących w łuku, co dobrze widać na załączonym zdjęciu. Tworzywo to
pozwala bowiem na bezpieczne gięcie rurociągów w łuki o promieniu nie mniejszym niż R

≥ 125 DN.

Przy zmianach kierunku przewodów poziomych o 90

° należy stosować łuki o kącie załamania nie

większym niż 45

° na każdą zmianę. Jednym łukiem 90° można wykonać przejście z poziomu w pion.

126

Fot. 1. Odwodnienie wiaduktu na lotnisku w Zurichu

4.5. Układanie w betonie

Instalacja odwadniająca wbetonowana w płytę mostu nie może być wymieniana. Dlatego tak ważne

jest, aby został zastosowany materiał, który zapewnia największe bezpieczeństwo. Przy wyborze
materiału należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak zagęszczanie betonu, wahania temperatury,
skurcz, pełzanie, a także sprężanie konstrukcji mostu. Ze względu na właściwości, jakimi
charakteryzuje się polietylen wysokiej gęstości, czyli elastyczność, odporność chemiczna, odporność na
ścieranie, jak również ze względu na możliwość wykonywania połączeń zgrzewanych, jest on tak
często stosowany na świecie do odwodnienia obiektów mostowych.

Fot. 2. Wbudowanie instalacji odwadniającej w płytę mostu

5. Wydłużenia termiczne

Przy projektowaniu i wykonywaniu odwodnienia obiektów mostowych z rur PE-HD należy

uwzględnić wpływ zmian termicznych otoczenia (wydłużenia) ze względu na to, że tak, jak każde
tworzywo, również polietylen charakteryzuje się dość dużym współczynnikiem termicznej
rozszerzalności liniowej.

Zmiany temperatury otoczenia powodują zmiany długości elementów wykonanych z polietylenu.

Współczynnik rozszerzalności tego materiału jest ok. 15 razy większy od stali. Wymusza to konie–
czność stosowania kompensacji wydłużeń lub sztywnego mocowanie przewodów na całej ich długości.

127

Wielkość wydłużeń termicznych rur można obliczyć ze wzoru:

∆L = L * ∆t * α

[mm]

(1)

gdzie: L – długość rurociągu [m],

∆t – zmiana temperatury w stosunku do temperatury montażu [

o

C],

α – współczynnik termicznej rozszerzalności liniowej = 0,17 mm/(m

o

C).

Tablica 3. Zmiany długości przewodów wskutek zmian temperatury

Zmiana temperatury

o

C

10

20

30

40

50

Zmiana długości

mm / 10m

17

34

51

68

85

5.1. Mocowanie sztywne

Sztywne mocowanie przez zabetonowanie lub zastosowanie do podwieszeń wyłącznie punktów

stałych uniemożliwia wydłużenie przewodu, ale powoduje konieczność przeniesienia znacznych sił na
punkty stałe.

Siły termiczne powstające w rurociągu można obliczyć ze wzoru:

P

1

= A * E * ∆t * α

[kN]

(2)

gdzie: A – powierzchnia przekroju poprzecznego materiału rury [m

2

],

E – moduł sprężystości = 800 MPa,

∆t – zmiana temperatury w stosunku do temperatury montażu [

o

C],

α – współczynnik termicznej rozszerzalności liniowej = 0,17 mm/(m

o

C).

Zestawienie sił powstających w przewodach PE-HD przy zmianie temperatury o 1

o

C zostało

przedstawione w tablicy 4.

Tablica 4. Zestawienie sił w przewodach PE-HD przy zmianie temperatury o 1

o

C

Średnica

zewnętrzna

Grubość

ścianki

Pow. materiału

w przekroju rury

Moment

bezwładności

Siła podłużna

mm

mm

m

2

cm

4

kN/

o

C

160

6,2

0,00296

887

0,407

6,2

0,00377

1774

0,513

200

7,7

0,00465

2154

0,633

7,8

0,00594

4356

0,807

250

9,7

0,00732

5294

0,996

9,8

0,00940

10952

1,278

315

12,2

0,01161

13323

1,578

5.2. Samokompensacja

Samokompensacja (kompensacja naturalna) polega na wykorzystaniu sił sprężystości materiału do

przeniesienia sił powstających w wyniku wydłużeń termicznych. Do tego celu stosuje się załamania
trasy przewodu, tzw. ramiona giętkie.

128

Minimalną długość giętkiego ramienia można obliczyć ze wzoru:

DL = K*

Dz

[cm]

(3)

gdzie: K– stała wytrzymałości, dla polietylenu = 10

∆L – wydłużenie termiczne rurociągu [mm],

Dz – średnica zewnętrzna rurociągu [mm].

Wskutek takiej kompensacji w przewodzie, na odcinku o długości L, zostanie wywołana siła

podłużna, która będzie obciążała punkt stały w wielkości:

P

2

= 0,03 * E * J * ∆L / DL

3

[kN]

(4)

gdzie: E – moduł sprężystości = 800 MPa,

J – moment bezwładności pola przekroju rury [cm

4

]

∆L – wydłużenie termiczne rurociągu [mm],

DL – długość giętkiego ramienia [cm].

Rys.2. Ramię giętkie

5.3. Kompensacja z zastosowaniem kielicha

Kompensacja wykorzystująca przesuwne połączenia odcinków, to np. kielich z uszczelką lub

kompensator gumowy, jeśli przesuw odbywa się bez rozłączania elementów. Zalecane jest jednak
stosowanie kompensatorów o nieznacznej sile oporowej, a nie zwykłych kompensatorów przezna-
czonych do rur stalowych.

Ze względu na to, że w poziomych przewodach na dnie kielicha mogą zbierać się unoszone z jezdni

cząstki mineralne, na obiektach mostowych najkorzystniejsze jest stosowanie do tego rodzaju przewo-
dów kompensacyjnych kielichów, których specjalna budowa eliminuje problem osadów w kielichach
i związanej z tym ewentualności ograniczenia zakresu przesuwu w kielichu.

Rys. 3. Tradycyjny kielich kompensacyjny

Rys. 4. Kielich kompensacyjny ze stalową tuleją

Tuleja stalowa zespolona
z bosym końcem

129

Siły podłużne w tak kompensowanych przewodach spowodowane są jedynie oporami tarcia

pomiędzy przesuwającą się rurą PE-HD a uszczelką kielicha. Wielkości tych sił zawarto w tablicy 5.

Tablica 5. Wielkość sił podłużnych w rurociągach kompensowanych kielichami

Średnica zewnętrzna

mm

160

200

250

315

Siła podłużna

kN

0,7

1,0

1,5

2,2

Min. zagłębienie w kielichu

mm

50

150

150

150

Głębokość wsunięcia rury w kielichu należy określić ze wzoru (1) w zależności od długości

odcinka od punktu stałego i temperatury montażu. Wielkość tę należy powiększyć o długość
minimalnego zagłębienia bosego końca w kielichu.

Przykład
Przewód z PE-HD montowany na zewnątrz konstrukcji mostowej.

Średnica

d=315mm

Grubości ścianek s=12,2mm

Temperatura montażu

t=15

o

C

Zakres pracy

t

1

= –30

o

C

t

2

= +60

o

C

Różnice temperatur:

∆t = ∆t

1

= ∆t

2

= t

2

– t = t – t

1

=

±45

o

Zmiany długości przewodu

±∆L = L * ∆t * α = 5,0 * 45 * 0,17 = ±38mm

Wymagane giętkie ramię

DL = 10*

Dz

= 10*

38 315

= 1094mm

przyjęto DL = 110cm

Siła podłużna wywołana wygięciem ramienia, obciążająca punkt stały PS

P

2

= 0,03 * E * J * ∆L / DL

3

= 0,03 * 800 * 13323 * 38 / 110

3

= 9,13 kN

Dla porównania, zamocowanie sztywne uniemożliwiające przesunięcie załamania przewodu

spowoduje w tych samych warunkach termicznych siłę podłużną o wartości:

P

1

= A * E * ∆t * α = 0,001161 * 800 * 45 * 0,17 = 71,03 kN

6. Mocowania

Zamocowania przewodów mają na celu:
a) niedopuszczenie do nadmiernych odkształceń przewodów wynikających z obciążeń termicznych

i ciężaru rur wraz z przepływającą w nich cieczą oraz

b) ograniczenie w bezpiecznym zakresie naprężeń w ściankach przewodów.

Rozróżniamy dwa sposoby mocowania przewodów:
a) z kompensacją wydłużeń,
b) sztywne; bez kompensacji wydłużeń.

130

Wszystkie punkty mocowania przewodów należy tak

konstruować, aby możliwa była łatwa regulacja wyso-
kości położenia przewodu (prowadzenie przewodu ze
spadkiem).

Zamocowania

powinny

również

zabezpieczać

rurociągi przed odkształceniami poziomymi. W tym celu
należy montować stężenia ukośne na co trzeciej podpo-
rze, a przy prowadzeniu trasy w łuku nawet na co drugiej.
System mocowania, który dopuszczony jest do stoso-
wania w obrębie konstrukcji budynku nie znajduje zasto-
sowania w przypadku montażu rurociągów na obiektach
mostowych. Według wytycznych szwajcarskich dla
wszystkich mocowań z obszaru zastosowań na zewnątrz
budynków należy stosować stal chromową, a wymagana
szerokość uchwytów rurowych wynosi 6cm, czyli
dwukrotnie więcej niż w przypadku mocowań instalacji
wewnętrznych.

Fot. 3 Stężenia ukośne

7. Prefabrykacja

Technologia zgrzewania doczołowego i elektrooporowego daje możliwość prefabrykacji części

instalacji w warsztacie, co znacznie skraca czas montażu na budowie, gdzie gotowe elementy łączone
są przy pomocy muf elektrooporowych. Polietylen jest materiałem lekkim, co jest również korzystne
przy transporcie gotowych elementów i przy montażu.

Fot. 4. Prefabrykacja PE-HD

8. Podsumowanie

Polietylen wysokiej gęstości PE-HD jest materiałem doskonale nadającym się do instalacji

odwadniających konstrukcje mostowe. Jego wyjątkowa odporność na ścieranie, lekkość, elastyczność
są cechami wyróżniającymi na tle innych materiałów.

Możliwość prefabrykacji poszczególnych części instalacji i późniejszego łączenia za pomocą

elektromuf pozwala na znakomite skrócenia czasu wykonywania odwodnienia. Właściwości PE-HD
pozwalają na zabudowanie instalacji odwadniającej w konstrukcji mostu.

Podczas projektowania i wykonywania instalacji pamiętać należy o właściwych rozwiązaniach

niwelujących słabsze strony materiału. Stosowanie rur poddanych procesowi odpuszczania,
posiadających dodatek np. sadzy zapobiegający skutkom wpływu promieni UV, a także używanie
odpowiednich elementów kompensacji wydłużeń (kielichy kompensacyjne ze stalową wkładką),
odpowiedniego systemu mocowań pozwala na wykonanie instalacji odwadniającej spełniającej
najwyższe wymagania. Z tego też powodu w niektórych krajach o wysoko rozwiniętej sieci autostrad
(np. Szwajcaria) PE-HD jest materiałem szczególnie zalecanym do instalacji odwodnień konstrukcji
mostowych.

131

Literatura

[1]

Saechtling, Kunststoff-Taschenbuch. Warszawa, WNT, 2000.

[2]

Poradnik stosowania rur kanalizacyjnych Geberit HDPE do odwodnienia drogowych obiektów
inżynierskich. Wydawnictwo Geberit Sp. z o.o.

[3]

Aprobata Techniczna nr AT/2002-04-1381 – Rury i kształtki kanalizacyjne z polietylenu (PE)
wysokiej gęstości Geberit – wydana przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie.

[4]

Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000r. w sprawie
warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich
usytuowanie (DzU. Nr 63/2000 poz.735).

HIGH DENSITY POLYETHYLENE PE-HD IN PRACTICE OF BRIDGE

DEWATERING

The paper presents the main material properties of the high density polyethylene. Apart from strong points the

study shows week points of polyethylene giving the measures that may be taken to eliminate them. Moreover,
description of the application technique is given and methods of accommodating thermal expansion and
contraction regarding PE-HD drainage system.