Stabilizzare le tubazioni

Le tubazioni, sia aeree sia interrate, sono soggette a delle sollecitazioni e per tale motivo vanno fissate alle strutture e agli ambienti con le quali vengono a contatto. Una tubazione aerea è sottoposta a delle sollecitazioni statiche, che hanno origine dal proprio peso, dal peso del fluido convogliato, dal peso degli accessori (valvolame, strumentazione e simili). Vi sono, inoltre, anche delle sollecitazioni dinamiche, che sono trasmesse dall’assestamento della struttura dove è fissata la tubazione (fondazioni, dilatazioni), dall’azione cinetica che deriva dal movimento del fluido (vibrazioni, colpi d’ariete, spinte sulle pareti della tubazione in corrispondenza di curve e di variazioni di sezione), dalla dilatazione o contrazione della stessa tubazione al variare della temperatura ambiente o della temperatura del fluido. Considereremo solo tubazioni attraversate da un fluido innocuo come l’acqua; se avessimo al suo interno fluidi corrosivi dovremmo, infatti, affrontare anche altri problemi.

Mentre una tubazione interrata ha un appoggio continuo, una aerea non lo ha e occorre vincolarla a una struttura edile; se la tubazione è flessibile, necessita un supporto continuo, mentre se è rigida è sufficiente un sostegno che si ripete a una certa distanza. Per far fronte alle sollecitazioni dinamiche si monteranno lungo la tubazione appositi accessori (giunti di dilatazione, ammortizzatori per colpo d’ariete). Come vedremo, anche una tubazione interrata è soggetta a delle sollecitazioni, che possono creare situazioni instabili nel terreno che le circonda.

Staffaggi

Lo staffaggio di una tubazione aerea si realizza con dei collari e ciò che si deve calcolare è la distanza tra due collari, cioè il “passo” delle staffe. Le tubazioni verticali non presentano problemi particolari, a parte la stabilità e in tabella 1 sono riportate le distanze massime consigliate. Per le tubazioni orizzontali, in caso si pongano i collari alquanto distanti tra loro, si rischia che la tubazione, nel tempo, si fletta; di contro, se si pongono troppo vicini si va incontro a uno spreco di tempo e di materiale.

Delle comode tabelle sono reperibili nella letteratura tecnica, ove sono riportate le distanze consigliate tra due collari, in funzione del diametro del tubo. Di seguito, in ogni caso, riportiamo il calcolo da eseguire per determinare tale distanza, utile nel caso si abbia una condizione particolare, come ad esempio tubazioni di grossi diametri.

Consideriamo una tubazione orizzontale staffata come una trave su più appoggi, sottoposta a un carico continuo che è dato dal peso proprio della tubazione e dal peso del fluido all’interno della tubazione. La massima flessione tra due staffe, cioè la freccia massima, è data dalla relazione:

f = 0,0052 (Pl⁴ /EJ)

dove:

f=freccia massima nella mezzeria tra due staffe (m)

p=peso della tubazione e del fluido interno (N/m)

l=distanza tra due staffe (m)

E=modulo di elasticità del materiale del tubo (N/m²)

J=momento d’inerzia del tubo (m⁴)

La formula permette di calcolare la freccia una volta fissata la distanza tra le staffe, oppure permette di ricavare tale distanza se si fissa la freccia massima che si vuole avere. La distanza tra due staffe è data dalla formula:

Ricordiamo che, per una tubazione a sezione circolare, il momento d’inerzia equatoriale J è dato da

Facciamo un esempio numerico. Supponiamo di avere una tubazione di rame con D = 16 mm e d = 14 mm (spessore 1 mm), piena d’acqua. Il peso della tubazione è 0,419 kg/m e il peso dell’acqua è di 0,154 kg/m; il carico totale sarà 0,573 kg/m pari a 0,573 x 9,81 = 5,62 N/m.

Il momento d’inerzia J è

Imponiamo una freccia massima f = 0,3 mm e sostituiamo i valori nella [1]; ricaveremo l = 1,16 m.

Quando si provvede allo staffaggio delle tubazioni occorre tenere presente un importante principio: le tubazioni non devono essere bloccate dalle staffe, ma devono avere la possibilità di spostarsi longitudinalmente per consentire eventuali movimenti (es. dilatazioni termiche durante il trasporto di fluidi caldi). In assenza di tale libertà di spostamento le conseguenze potrebbero essere: il disinnesto della staffa dalla struttura ove è ancorata o il danneggiamento della tubazione. Lo stesso dicasi in caso di attraversamento di una parete da parte della tubazione: questa deve potere avere un grado di libertà (longitudinale) nei confronti della parete; diversamente la struttura edile potrebbe mostrare delle crepe. In tali casi la soluzione è porre una camicia in corrispondenza della parete (anche di pvc), entro la quale passa il tubo.

I collari sono fissati alla struttura portante con tasselli o con viti sparate (fig. 1). Tubazioni pensili possono essere realizzate fissando i collari a dei profilati collocati a soffitto (fig. 2). Tubazioni vibranti possono essere staffate con collari muniti di guarnizione di gomma, che evitano il trasferimento di rumori alla struttura portante, specie se è una civile abitazione. Le tubazioni coibentate sono supportate con collari muniti di una piastra di appoggio della parete inferiore della tubazione per evitare la deformazione della coibentazione. In figura 3 sono riportati diversi tipi di supporti. Per le tubazioni di pvc sono gli stessi produttori che forniscono supporti e staffaggi.

 Figura 1 - Collare pensile

Figura 2 - Profilato di supporto per tubazioni parallele

Figura 3 - Vari tipi di supporti per tubazioni

Ancoraggi di tubazioni interrate

Le tubazioni interrate di grande diametro possono trasferire delle spinte al terreno che le circonda, in corrispondenza di tratti particolari, come curve, diramazioni a T, terminali ciechi. Sono spinte di natura statica e dinamica (ad esempio, la spinta conseguente alla quantità di moto originata dalla velocità del fluido oppure dal colpo d’ariete). Se il terreno non è in grado di contrastare tali spinte, la tubazione subirà degli spostamenti rispetto alla sua sede naturale, soprattutto se è di materiale plastico. La possibilità di spostarsi è una prerogativa che deve essere rispettata, come meglio vedremo quando si tratteranno le dilatazioni. C’è però l’esigenza che una tubazione, pur disponendo della possibilità di modificare seppur di poco la sua traiettoria iniziale, deve mantenere dei punti fissi, inamovibili; ad esempio, la spinta in corrispondenza di una curva in un pozzetto non deve causare lo spostamento del pozzetto.

È necessario, di conseguenza, che in tratti particolari (curve, diramazioni, terminali) si abbia la certezza che la tubazione interrata non si sposti dalla sua sede. Un sistema per realizzare ciò è di predisporre un blocco di calcestruzzo, cioè un ancoraggio a contatto della tubazione, che contrasti la spinta della tubazione proprio dove questa nasce (fig. 4).

Figura 4 - Schemi di ancoraggi per tubazioni interrate

La spinta della tubazione è data dalla relazione F = k·p·S dove F (kg) è la spinta, p (bar) la pressione interna massima di prova, S (cm²) la sezione interna del tubo (per le diramazioni a T ridotte è la sezione ridotta). Il coefficiente k si assume pari a 1 per T a 90° e terminali ciechi, pari a 1,414 per curve a 90°, 0,766 per curve a 45°.

Alla spinta della tubazione, il terreno reagisce con una forza di reazione data dalla relazione B = k₁·H·S₁ dove B (kg) è la spinta di reazione del terreno, H (m) è la profondità di posa dell’asse della tubazione, S₁ (m²) è la sezione dell’ancoraggio di calcestruzzo che deve essere calcolata. Il coefficiente k¹ (kg/m³) dipende dalla natura del terreno: 3.000 per sabbia argillosa, 5.000 per terreni di media compattezza, 6.000 per sabbia o ghiaia.

Cautelativamente è opportuno fissare B ≥ 1,5 F e quindi risulta

Determinato S₁, si dimensiona il blocco d’ancoraggio individuando la larghezza L e l’altezza h, essendo S₁ = L x h (fig. 5).

Facciamo un esempio numerico. Si abbia una curva a 90° di una tubazione di pvc con diametro interno d = 192,2 mm e quindi è S = 290 cm². Sia k = 1,414, p = 10 bar, k₁ = 5.000 kg/m³, H = 1,5 m. Si ricava

Si può realizzare un blocco d’ancoraggio alto h = 0,6 m e largo L = 1,4 m.

Figura 5 - Sezione e pianta di ancoraggio per una tubazione

Compensatori di dilatazioni termiche

Sappiamo che una tubazione sottoposta a un aumento di temperatura, per cause esterne (tubo posto al sole) o per cause interne (fluido caldo), è soggetta a una dilatazione e, quindi, subisce un allungamento. In tali condizioni, è necessario consentire alla tubazione di allungarsi, continuando a svolgere la sua funzione per la quale è stata installata, alle stesse condizioni di sicurezza. Se la tubazione si trova fissata (o meglio, incastrata) tra due punti, la dilatazione provocherà il suo svergolamento; in tal caso, se la tubazione è abbastanza rigida, di grande diametro, può rimanere diritta, ma darà origine a una spinta su uno dei punti dove è incastrata (come si è visto in precedenza a proposito degli ancoraggi), che potrà provocare delle deformazioni alla struttura di sostegno. In altri casi, può essere la tubazione che si deforma, arrivando anche alla rottura.

Per evitare tali inconvenienti, occorre calcolare l’allungamento massimo dovuto al massimo salto termico prevedibile, cioè la differenza che intercorre tra la massima temperatura d’esercizio e la minima (che potrebbe essere causata da condizioni ambientali invernali, se il tubo è all’esterno).

L’allungamento è proporzionale alla lunghezza della tubazione e al coefficiente di dilatazione lineare, che è una caratteristica del materiale della tubazione (tab. 5), e si calcola con la nota formula ΔL = a·L·ΔT, essendo ΔL l’allungamento della tubazione (m), a il coefficiente di dilatazione termica lineare (K^-1), L la lunghezza della tubazione (m) e ΔT il salto termico (°C).

Tra i vari materiali vi sono cospicue differenze nell’allungamento. Consideriamo, infatti, una tubazione rettilinea lunga 60 m, con un’escursione termica compresa tra 10°C e 90°C (ΔT = 90 – 10 = 80°C); come si vede, si passa, a parità di condizioni, dai 6 cm del tubo di acciaio a quasi un metro del tubo di pead.

• Tubo di acciaio al carbonio: ΔL = a·L·ΔT = 1,2 x 10-5 x 60 x 80 = 0,0576 m = 57,6 mm
• Tubo di rame: ΔL = a·L·ΔT = 1,7 x 10-5 x 60 x 80 = 0,0816 m = 81,6 mm
• Tubo di pvc: ΔL = a·L·ΔT = 7  x 10-5 x 60 x 80 = 0,3360 m = 336 mm
• Tubo di pead: ΔL = a·L·ΔT = 20 x 10-5 x 60 x 80 = 0,9600 m = 960 mm

Calcoliamo la spinta che scaturisce da una dilatazione termica impedita. La sollecitazione che nasce lungo l’asse della tubazione a seguito dell’escursione termica è data dalla formula s = a·ΔT·E essendo s la sollecitazione (N/mm²) ed E il modulo di elasticità (N/mm²). Per il modulo di elasticità E si possono assumere i seguenti valori: acciaio 210.000 N/mm²; pead 900 N/mm²; pvc 3.000 N/mm²; rame 132.000 N/mm². Da tali valori si comprende come la sollecitazione nascente è maggiore nell’acciaio ed è molto minore nel pead. Nota la sollecitazione s, la spinta della tubazione è fornita dall’espressione F = s·S dove F è espresso in (N) e S è la superficie della sezione del tubo (corona circolare) espressa in (mm²).

Facciamo un esempio numerico. Consideriamo un tubo di acciaio DN 100 con diametro esterno D = 113,9 mm e diametro interno d = 106,6 mm sottoposto a un salto termico ΔT = 90°C. Il coefficiente di dilatazione termica si ha dalla tabella 5.

La sollecitazione assiale è:

s = a·ΔT·E = 1,2 x 10^-5 x 90 x 210.000 = 226,8 N/mm²

La superficie della corona circolare è:

Si ricava

Abbiamo una spinta F dell’ordine di 29 tonnellate (!), mentre un eguale tubo di pead porterebbe a una spinta di 125 kg.

In conclusione, una dilatazione termica può far nascere su una tubazione rettilinea delle sollecitazioni assiali e delle spinte alle estremità anche di notevole entità. Per evitare questi inconvenienti, che potrebbero causare danni anche gravi alla stabilità della linea e alla sicurezza dell’ambiente, occorre dare possibilità alla tubazione di potersi allungare.

In qualche caso è possibile che sia la configurazione stessa della linea a essere autocompensante; ad esempio, in tronchi bi e tridimensionali, la deformazione assiale del singolo tratto rettilineo può essere compensata attraverso la flessione di tratti ortogonali adiacenti (fig. 6). Una tubazione interrata di pead, convogliante un fluido caldo, non richiede, normalmente, dei compensatori di dilatazione; basta lasciarla libera nella trincea di posa e saranno le caratteristiche plastiche del materiale a provvedere a una nuova configurazione della tubazione.

Per compensare una dilatazione, una prima tecnica semplice ed economica – quando è possibile applicarla - è quella di alternare lungo la tubazione a dei tratti rettilinei anche altri con gomiti o curve, cioè realizzare una linea spezzata, ad esempio a forma di “L” o “Z; se si lasciano liberi di muoversi i punti di curvatura, essi costituiranno lo sfogo naturale della dilatazione. Si possono realizzare, con la stessa linea, dei compensatori, ad esempio a lira e a U (fig. 7). È opportuno che in prossimità del compensatore siano poste, a monte e a valle, due guide di scorrimento della tubazione.

I compensatori fin qui trattati hanno i vantaggi di non richiedere manutenzione, di essere utilizzati anche per grandi diametri e alte pressioni, di far fronte a elevate dilatazioni, di consentire la continuità meccanica della linea. Gli svantaggi sono: maggiore ingombro di installazione, maggiore quantità di supporti, maggiore perdita di carico. Comodi per l’uso sono i compensatori da inserire lungo la tubazione; si tratta di compensatori assiali (fig. 8), molto usati in termotecnica, che consentono dilatazioni lungo l’asse della tubazione.


Figura 6 - Schemi di autocompensazione di dilatazione termica


Figura 7 - Compensatori di dilatazione a flessione: a) a lira; b) a spirale; c) a “U”; d) tridimensionale

Figura 8 - Compensatori di dilatazione assiali: a) a soffietto; b) a cannocchiale

Un sistema per ridurre la sollecitazione nascente dalla dilatazione termica consiste nel sottoporre la tubazione a uno stato di pretensione, cioè nel creare una tensione di segno opposto a quello della dilatazione, con un allungamento preliminare che solitamente è pari alla metà della dilatazione termica calcolata. Con tale sistema, si possono ridurre notevolmente i compensatori visti.

Per consentire alle tubazioni di notevole diametro la dilatazione lineare, è consigliabile dotarle di supporti su rulli. Sono commercializzati anche compensatori spaziali come quelli a snodo cardanico o sferico per tubazioni non rettilinee ma con diversi cambiamenti di direzione.