3.12 TUYAUTERIES ENTERREES
Bien que cet ouvrage soit particulièrement dédié aux tuyauteries aériennes, nettement majoritaire sur un site chimique, il nous a paru intéressant d'ajouter ces quelques notes relatives aux conduites enterrées à l'exclusion des égouttages dont l'étude est généralement réalisée par le génie-civil.
3.12.1 FONCTIONS
- Collecter les eaux de pluies ou usées ( résiduaires ), c'est une fonction d'égouttage qui ne sera pas traitée dans cet ouvrage.
- Distribuer les eaux de réfrigération, de lutte contre l'incendie, les eaux potables, .... Ces tuyauteries ont parfois des diamètres très important surtout dans le cadre des eaux de réfrigération.
3.12.2 CONDITIONS D'UTILISATIONS
Elles sont identiques à celles des tuyauteries aériennes ( § 2.6.1 )
3.12.3 MATERIAUX UTILISES
Ils sont ici encore fonction du type de fluide. On utilise néanmoins très souvent les aciers au carbone, les aciers inoxydables, les polyéthylènes et le propylène. Les conduites métalliques doivent être protégées de la corrosion extérieure soit par un enrobage en polyéthylène ou bitumeux. La partie interne est parfois protégée de l'agression des fluides par de l'époxy, du PVC, du bitume, ...
Attention, les tuyauteries en inox peuvent être attaquées par les chlorures dissous dans le sol, il est donc recommandé de placer des bandes de polyéthylène. Toutes les tuyauteries peuvent être soumises à une corrosion extérieure due aux courants vagabonds, il es alors conseillé de réaliser des mesures de courant et de différence de potentiel entre le tube et le sol. Il y a aussi lieu de rechercher la présence de voies ferrées, sous-station, structures protégées cathodiquement.
Un courant de 1A déplace +/- 9 kg d'acier par an. La corrosion cathodique se fait par cratères donc danger de fuites.
Note : Pour choix des matériaux voir § 2.6.2.
3.12.4 POSE D'UNE TUYAUTERIE ENTERREE
Généralement, on fait réaliser une tranchée après des fouilles manuelles obligatoires si un doute subsiste quant à la présence d'objets dans le sous-sol. La profondeur de cette tranchée est déterminée en fonction des conditions de l'étude mais pour liquides pouvant geler la génératrice supérieure de la conduite devra être située à moins de 80 cm sous le niveau du terrain. La profondeur dépendra également de la qualité de la pose ( remblai au sable, sable stabilisé ( sable + ciment )..... ).En cas d'un assemblage par brides, ou placement d'une vanne, voir d'un organe de contrôle, il a lieu de prévoir un puisard permettant d'assurer le démontage ou la vérification de ces éléments.
Les conduites peuvent être placées après un forage horizontal, sous une route par exemple .
Le fait d'enterrer une tuyauterie va provoquer des contraintes sur celle-ci, la résistance mécanique du tube sera fonction des éléments ci-après :
Epaisseur : Elle devra résister à la pression intérieure ( Rappel : voir § 3.2 ) e > De/100. ( pour les tuyauteries en Ac au carbone on adopte une surépaisseur de corrosion de 2 mm ), à la poussée des terres et aux surcharges extérieures.
Profondeur : Plus la tuyauterie est placée bas, plus cette profondeur a un effet favorable que ce soit pour les charges de terres que pour les surcharges.
Nature et tassement des terres : Ces actions peuvent provoquer l'ovalisation de la conduite. Il est important de bien tasser le remblai sous la tuyauterie afin de réaliser un effet berceau.
Le choix de l'épaisseur est donc, ici, un problème délicat et par expérience, nous pouvons écrire que l'angle de transmission est de l'ordre de 35° pour un terrain moyen et pour une conduite de dn ≤ 600 et une hauteur de remblais ≤ 1,5 m au-dessus de la génératrice supérieure de la tuyauterie ( GET ).
Remarquons que les tuyauteries " ISO " ou schéduléé conviennent parfaitement à cet usage. ( voir chapitre 2 FIG 1-9 et 1-10).
Pour les autres tubes et en cas de doutes, il y a lieu de réaliser quelques vérifications RDM en tenant compte des paramètres suivant :
- Pression
- Charges locales ou surcharges ( U.R )
- Réaction horizontale du sol
- Effet de berceau
- Méthode de calculs
- Pression : Voir paragraphe 3.1 première partie du manuel
Pour 1 m linéaire de conduite, la charge totale supportée par celle-ci sera établie par la relation :
P = ( Cα . pv . de ) + Pt + Pf + q
Cα =coefficient fonction du rapport H/De et de l'angle de transmission (Fig 174-1 )
H = profondeur de la conduite prise sur la génératrice supérieure ( m )
Pv = poids volumique du terrain ( daN/m³ )
Pt = poids volumique du tube ( daN/m³ )
Pf= poids du fluide véhiculé ( daN/m³ )
q = surcharge par cm linéaire au niveau de la génératrice supérieure
Remarque : Dés que α = 15° , la formule est inapplicable ( terrains vaseux )le tube supportera la totalité de charge plus la pression de l'eau et il faudra alors réaliser un calcul à pression extérieure (§ 3.2.2 première partie )
Poids volumiques et angles de transmission
Nature du sol pv = daN/m² α = degré
Vase 1400 à 1700 0 à 10
Argile saturée 1700 à 1900 15
Argile humide 1500 à 1700 15 à 20
Terre végét. Humi. " 35
Terre végét. Satur. 1750 20 à 25
Sable + gravier hum. 1500 à 1700 30 à 35
Sable fin humide 1500 "
Sable fin saturé 1700 25
Remarque : Dans le conduites dans une même tranchée, α sera diminué de 5 à 10° si le terrain est faiblement damé
La charge totale par cm Po =
Pression critique pouvant être supportée par le tube Pcr =
Le module d'inertie d'un tube I/V =
a) Cas d'une charge localisée
AB = 2 . H . tg α
S = ( AB² x Ï€ ) /4 = Ï€ . H² . tg α
Pour 1 cm de zone de répartition nous aurons : qs =
Qs = qs x ( De / 2H . tg α ) = N . De / ( Ï€. H² . tg²α )
b) Cas des surcharges ( Charges uniformément répartie = CUR )
Aire chargée supérieure AB= l + 2H . tgα
Aire chargée niveau GET CD = L + 2H . tg α
S1 = l x L
S2 =( CD x l ) + ( 2H . tg α . L ) + Ï€(H . tg α )²
Qs = qs . De . S1 / S2
Remarques :
- Les remblais doivent être réalisés avec des matériaux ayant un angle de transmission similaire.
- Sous une route permettant le passage de convoi lourd ( grue, rouleau compresseur,.. ) ou sous des voies de chemin de fer, il est nécessaire de mettre la ou les conduites dans une gaine ( ex : tuy. Métallique de plus gros diamètre ou en béton armé ). Le calcul de ces gaines est identique à ce que nous venons de voir sauf qu'il n'y a pas de pression interne.
Dans tous les calculs il faudra tenir compte d'un coefficient dynamique = 1 pour les chaussées en béton armé et 1,75 pour les voies ferrées.
2. Réaction horizontale au sol ( Formules de Terzaghi )
Elle est fonction de la nature, de l'humidité et du degré de tassement du sol.
a) Sols argileux
FH1 = KS1 / de
KS1 = 50 à 100 daN/cm² pour l'argile compacté
100 à 200 daN/cm² pour l'argile très compacté
300 « « dur
b) Sols sablonneux
FH2 = KS2 x ( 3H /de )
KS2 = 0,22 daN/cm³ pour le sable sec ou humide non tassé
= 0,68 « « « moyennement «
= 1,8 « « « bien tassé
Si on utilise 2 sortes de terrain, on fait la moyenne des 2 forces soit : FH =
3. Effet de berceau
Si l'on tasse le remblai à la pose, le tube va s'enchasser dans le terrain en créant un berceau qui s'opposera à son ovalisation.
L'angle normal d'un berceau est de 90°, mais selon la nature du terrain on peut avoir γ = 60 et 120°
Calcul de la charge et du moment de flexion pour un berceau γ = 60°
PT =pcr + P + ( 0,233 x F x de/2 )
Mfmax (génératrice inférieure )=
0,378 . po . ( de/2 )²
Calcul de la charge et du moment de flexion pour un berceau γ = 90°
PT = pcr + p + ( 0,233 x F x De/2 )
Mfmax = 0,314 . po . (de/2 )²
Calcul de la charge et du moment de flexion pour un berceau γ =120°
PT = pcr + P + ( 0,183 x F x de/2 )
Mfmax = 0,276 po ( de/e )²
Et σ = Mfmax / I/V
- Contrainte transversale due à la pression σH =
- Contrainte totale σt = σ + σH
3.12.5EXEMPLE NUMERIQUE
Soit une conduite dn 600 ( De = 609,6 e = 6,3 ) en acier A106 g A , roulée soudée ( E = 2100000 daN/cm² à 20 deg C.), véhiculant de l'eau de réfrigération à température ambiante. Cette conduite est enfuie à - 1,5 m ( GET ) et la pression de service du fluide est de 10 barg. Le terrain est constitué de terre végétale pv = 1700 daN/m³ et α = 35°. La surépaisseur de corrosion = 2 mm
Soit eo = 4,3 mm
CUR sur terrain = 1000 daN/m² ( 0,1 daN/cm² ); l = 1,2 m et L = 6 m
z = 0,85 et la conduite est enchâssée sur un berceau ayant γ = 90°
Calculer la contrainte totale dans la conduite.
I/V = eo² / 6 = 0,43² / 6 = 0,0308 cm³
Section de passage ( § 2.12 3ème partie ) pour Dn 600 = 2798,281 cm² soit 0,28 m²
Poids du fluide Pf = 0,28 x 1000 = 280 daN/m = 2,8 daN/cm
Poids du tube (§2.12 3ème partie ) Dn 600 eps 6,3 = 94,46 daN/m = 0,945 daN/cm
Aire de chargement supérieure S1 = 120 x 600 = 72000 cm²
Aire de chargement inférieure S2 = { ( 600 + ( 2 x 0,7 x 150 ) x 120 } + { ( 2 x 0,7 x 150 ) x 600}
+ ( 3,14 x 0,7 x 150 )² = 186418,5 cm²
Charge unitaire Qs = 60,96 x 0,1 ( 72000 / 186418,5 ) = 2,355 daN/cm²
H/De = 150 / 60,96 = 2,46 et α = 35° suivant FIG 174 - 2 Cα = 1,7
Charge totale pour 1 cm de longueur de conduite P = (1,7 x 0,0017 x 60,96² )+ 0,945 + 2,8 + 2,355 = 16,84 daN/cm
Soit po = 16,8 / 60,96 = 0,276 daN/cm
pcr =
Réaction horizontale au sol FH1 = 75 daN/cm² / 60,96 cm = 1,23 daN/cm³ = F
Pour un berceau ayant γ = 90° => PT = 3,428 + 10 + (0,233 x 1,23 x 60,96/2 ) = 22,16 daN/cm²
Mfmax = 0,314x0,276x(60,96/2)²
Mfmax = 20,02 cmdaN
σ = Mfmax / I/V = 20,02 / 0,0308 = 650 daN/cm² => 6,5 daN/mm²
σ H =
σ t = 6,5 + 8,28 = 14,78 daN/mm² valeur très élevée, si on la compare à 8,27 daN/mm² donnée dans le tableau FIG 1-30 de la 1ère partie du manuel. La solution est de passer à une épaisseur supérieure ou un tube laminé ( e = 12,5 mm ).
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