و به طور کلی مقاوم سازی لوله های مدفون بتنی با قطر بزرگ به دو صورت امکان پذیر است: نخست مقاوم سازی از بیرون که نیاز به خاکبرداری داشته و علاوه بر هزینه زیاد، سبب ایجاد مزاحمت برای شهروندان می شود؛ دوم مقاوم سازی از درون با بکارگیری از ورق های پلیمر مسلح با الیاف (FRP) که می تواند زبری سطح لوله را نیز کاهش دهد. در برخی موارد، اندر کنش میان سیال و نوارهای FRP سبب بر هم زدن شرایط هیدرولیکی و ایجاد تنش های مخرب می گردد.
لوله های مدفون به لوله های دایروی زیر زمین اطلاق می شود که جهت انتقال محصولاتی نظیر هیدروکربن های گازی یا مایع که از مشتقات گاز طبیعی یا نفت خام می باشند یا انتقال بخارهایی با فشار بالا نظیر پروپان و یا آب و فاضلاب استفاده می شود. این لوله ها نقشی حیاتی در تولید انرژی، اقتصاد و سلامت جوامع داشته و از آنها به عنوان شریان های حیاتی هر جامعه نام برده می شود برای همین، صدمه، خسارت یا خوردگی بخشی از این لوله ها، سلامت و اقتصاد یک شهر و جامعه را تهدید می نماید. برای بهسازی و مقاوم سازی این شبکه ها که طولشان کیلومترهاست، روشی بهینه باید اندیشیده شود.
تاریخچه ی لوله های مدفون
شریان های حیاتی مدفون زیر زمین از کیلومترها لوله تشکیل شده که پیدایش آن به لوله های آهنی اولیه مدفون که قرن ها از آنها استفاده می شد، باز می گردد. سیستم انتقال آب در روم باستان در ۲۵۰۰ سال قبل از میلاد، با تکنولوژی پیشرفته آن روزگار ساخته شد؛ به طوری که آن سیستم آبرسانی، شامل یازده مجرا و کانال برای انتقال آب بود که ۵۸۰ کیلومتر را پوشش داده و ۱۹ هزار متر مکعب (۵۰ میلیون گالن) آب را در هر روز به منبع ذخیره بزرگی انتقال می داد. این لوله ها از سرب ساخته شده بودند که آب را از منبع ذخیره به سرچشمه ای برای شستشوی مردم می آورد. در همان هنگام، اولین سیستم انتقال فاضلاب، در ایران و در شهر هگمتانه و در نواحی پاکستان کنونی و غرب هند ساخته شد و فاضلاب را توسط لوله هایی به خارج شهر منتقل می نمودند.
انواع لوله ها
لوله ها از نظر جنس، قطر و کاربری، قابل تقسیم بندی می باشند. به طور کلی، لوله ها برای کاربری های مختلفی طراحی و اجرا می شوند، یعنی جنس لوله ای که برای انتقال آب، فاضلاب، گاز و یا نفت مورد استفاده قرار می گیرد با یکدیگر تفاوت دارند، زیرا هر کدام از این شبکه های انتقال، ویژگی های خود را داشته که طبیعتا جنس لوله ی مصرفی باید مطابق با آن ویژگی های باشد. و معمول ترین جنس انواع لوله هایی که امروزه کاربرد وسیع تری دارند عبارتند از: لوله های چدنی، لوله هایی از جنس آهن انعطاف پذیر، لوله های فولادی لوله های آزبست سیمان، لوله های رسی، لوله های بتنی، لوله های ترموپلاستیک، لوله های کامپوزیت، لوله های پلاستیکی شامل لوله های پلی اتیلن و پلی کلرید ونیل هر کدام از انواع این لوله ها، با توجه به جنس و محدودیت هایی که دارد، در شبکه های لوله کشی مورد استفاده قرار می گیرد، در ادامه به موارد استفاده ی هر یک اشاره می شود.
شبکه های آبرسانی و فاضلاب رو
شبکه آبرسانی : شبکه آبرسانی در هر جامعه به عنوان شریان های حیاتی آن جامعه نامبرده می شود. این شبکه ها شامل قسمت هایی نظیر شیرها، پمپ ها، منبع، فشارشکن ها و سایر وسایل لازم می باشند. در یک تقسیم بندی دیگر، می توان شبکه های آبرسانی شهری را به دو بخش خطوط انتقال آب و خطوط توزیع آب تقسیم نمود. خطوط انتقال آب، وظیفه انتقال و جابجا نمودن آب از منبع به خطوط توزیع آب را به عهده دارند. این بخش شبکه آبرسانی، دارای اتصالات داخلی بسیار کمی بوده و گاهی اوقات، هیچ گونه اتصالاتی را ندارند و برای همین، جریان آب در این لوله ها به صورت شبه پایدار فرض می شود. این لوله ها، غالبا دارای پوششی کم عمق از خاک هستند و برای طراحی اولیه آنها، در نظر گرفتن فشار داخلی کافی است و پس از آن می بایست تنش های طولی، فشارهایی که در طول لوله به وجود می آید و کمانش را نیز کنترل نمود و بخش توزیع آب، وظیفه توزیع آب به کاربران و شهروندان را بر عهده دارد. برای طراحی این بخش از شبکه ی آبرسانی، علاوه بر در نظر گرفتن فشار داخلی لوله به علت پایدار نبودن جریان داخل لوله، باید ضربه قوچ احتمالی، وزن خاکریز مجاور لوله، وجود چفت و بست اتصالات آنها، وجود خمش طولی و نشست غیر یکسان دو سر آنها را نیز در طراحی ملحوظ نمود؛ علاوه بر این، آب در لوله های انتقال آب، تحت فشار است و مصالح لوله باید قادر به تحمل تنش های برشی بوجود آمده در دیواره ی لوله که ناشی از فشار آب است، باشد. این لوله ها، تحت فشار بوده و غالبا از لوله هایی با زبری دیواره ناچیز مانند لوله های چدنی، آهنی و فولادی بیشتر برای این خطوط لوله استفاده می شود.
شبکه فاضلاب رو
شبکه فاضلاب رو شامل دو بخش شبکه جمع آوری فاضلاب و شبکه تصفیه فاضلاب می باشد
برای بسیاری از شبکه های جمع آوری فاضلاب، بخش جمع آوری فاضلاب خانگی و فاضلاب آب باران خیابانی جدا می باشد، علی رغم وجود برخی شبکه های فاضلاب رو که به صورت بافشار هستند، غالبا این شبکه ها بر اساس نیروی ثقل عمل نموده و انتقال و جمع آوری فاضلاب بر اساس نیروی گرانش زمین می باشد و برای این که از باقی ماندن مواد جامد در راه مجرای فاضلاب رو ممانعت شود، شیب مجرا، به گونه ای است که حداقل سرعت ۰٫۶ متر بر ثانیه را در لوله برقرار نماید و لذا دو سر یک لوله، دارای ارتفاع یکسان نبوده و فشار متفاوتی از جانب خاک بر روی این لوله ها اعمال می شود. برای مقابله با این فشار، مقاومت و سختی لوله، فاکتورهای مهمی در طراحی لوله خواهند شد. علاوه بر این، برای جلوگیری از نفوذ شیرابه های فاضلاب به شبکه آبرسانی شهری، لوله های فاضلاب رو دارای چفت و بست های محکم تری بوده و همچنین در قسمت زیرین شبکه آبرسانی قرار داده می شوند و لذا فشار خاک در طراحی این لوله ها بسیار مهم است. گفتنی است، برای شبکه فاضلاب رو لوله هایی استفاده می شود که عمر آنها حداقل ۱۰۰ سال در نظر گرفته می شود. اولین خطوط لوله فاضلاب، شامل لوله های سفالی میشد که از رس سوخته، درست شده بود؛ ولی پس از اختراع بتن، از بتن برای ساخت لوله های با قطرهای بالا و از لوله های سفالی رسی برای لوله های با قطرهای کم استفاده شد. با توجه به ترد بودن لوله های سفالی رسی و مقاومت ناچیز و نشت فاضلاب از آنها، روند استفاده از این لوله ها کاهش یافت و تا سال ۱۹۶۹ این روند ادامه داشت تا این که لوله های پلاستیکی جای لوله های سفالی رسی را به طور کامل گرفتند. امروزه غالبا از لوله های بتنی و پلاستیکی برای استفاده در لوله های انتقال فاضلاب استفاده می شود.
بهسازی لوله ها
برای بهبود وضع لوله های خورده شده و لوله هایی که مقاومت و سختی لازم برای کاربری خود را ندارند، می توان لوله را با لوله ای جدید و مناسب تعویض نمود، یا می توان بدون تعویض لوله، آن را از بیرون مقاوم سازی نموده و کماکان از لوله قدیمی استفاده کرد و یا بدون تعویض لوله، آن را از درون، مقاوم سازی نمود. یکی از این سه رویکرد را برای عدم قطع بخشی از شبکه حیاتی شهری باید انتخاب نمود؛ بدیهی است هر کدام از این سه رویکرد، مزایا و معایب خود را دارد و لذا در ادامه، به برخی مزایا و معایب دو رویکرد نخست پرداخته می شود.
بررسی معایب تعویض لوله ی آسیب دیده با لوله ای جدید
هنگامی که لوله ای دچار خوردگی، آسیب یا خرابی شود، مقاوم سازی و عملیات مسلح سازی در مقیاس بزرگ یا عملیات تعویض لوله ی مدفون زیر زمین ضروری خواهد بود. در این زمان، عملیات و تکنولوژی حفاری و خاک برداری غالبا استفاده می شود که اجازه می دهد لوله های جدید، جایگزین لوله های موجود و آسیب دیده گردد. بدیهی است در منطقه ای بزرگ در نزدیک لوله و در یک گستره زمانی و در مقیاس زیاد، ترافیک و راهبندان به وجود خواهد آمد. علاوه بر این، با این روش، بار اجتماعی و مالی بسیار سنگین بر اثر کاهش عرض معابر تردد وسایل نقلیه و افزایش حجم ترافیک، تراکم ترافیک و ریسک وقوع تصادف به جامعه تحمیل خواهد شد؛ همچنین، تعویض لوله مستلزم صرف زمان و هزینه های کلان خواهد بود؛ برای توضیح بیشتر می توان گفت، جاده نیاز به آسفالت دوباره خواهد داشت که در این صورت، احتمال صدمه و آسیب رسیدن به سایر سازه های مدفون زیر زمین (نظیر لوله های آب، فاضلاب، گاز و … به جز لوله ی مورد نظر) نیز وجود خواهد داشت . از طرفی، لوله های انتقال فاضلاب، در زیر لوله های انتقال آب قرار داده می شوند؛ لوله های آبرسانی نیز، برای حفاظت از گرما و سرما و یخ زدگی و عدم مجاورت با هوا ترافیک، در عمقی از خاک قرار داده می شوند، بنابراین عمق شبکه ی فاضلاب رو، باید به اندازه ای باشد که از اضافه بار و خطر یخ زدگی مجرا نیز ممانعت شود و بنابراین رسیدن به این هدف، نیازمند خاک برداری زیاد است و ازدیاد خاکبرداری، هزینه تمام شده کار را بسیار بالا خواهد برد . از طرفی، خاک برداری بخش اعظم هزینه این روش تعمیر لوله است. هزینه خاکبرداری و ساخت دوباره خیابان ها پس از تعمیر، می تواند از ۸۰ تا ۸۵ درصد هزینه کل تعمیر و تعویض خط لوله فراتر رود و هزینه لوله در شبکه های لوله کشی تنها ۱۵ تا ۲۰ درصد هزینه ی کل خط لوله است؛ بنابراین تعویض لوله، علاوه بر این که عامل کاهش عرض معبر تردد، افزایش ترافیک، راهبندان و بالا رفتن ریسک تصادف می شود، هزینه ی زیادی را در پی خواهد داشت، همچنین، با تعویض لوله، نقطه یا نقاط بحرانی خط لوله تقویت نشده و احتمال خورده شدن، آسیب یا صدمه ی لوله ی تعویض شده، از همان نقطه یا نقاط بحرانی موجود، دور از تصور نیست؛ لذا، برای جبران عملیات خاکبرداری غیر منطقی و نامعقول و ضمانت کردن دوام بیشتر و ایمن بودن محیط زیست، تکنولوژی تقویت و مسلح کردن لوله ها با روش های مختلف را باید ارزیابی نمود.
برای مقاوم سازی لوله های مدفون از بیرون آن، عملیات خاکبرداری پر هزینه ای – که عامل کاهش عرض معبر تردد، افزایش ترافیک، راهبندان و بالا رفتن ریسک تصادف نیز می شود- به پروژه تحمیل می شود و تنها، به جای استفاده از الولدی جدید از همان لوله ی قدیم استفاده شده و نقطه یا نقاط بحرانی لولای پیشین مقاوم سازی می شود، با توجه به این که هزینه خاکبرداری و ساخت دوباره خیابان ها پس از تعمیر می تواند از ۸۰ تا ۸۵ درصد هزینه کل تعمیر و تعویض خط لوله فراتر رود و هزینه لوله در شبکه های لوله کشی تنها ۱۵ تا ۲۰ درصد هزینه ی کل خط لوله است [۷] بنابراین، با این روش، تنها در ۱۵ تا ۲۰ درصد هزینه ی لوله کشی مجدد صرفه جویی شده و تنها مزیت مقاوم سازی لوله از بیرون نسبت به تعویض لوله این خواهد بود که نقطه یا نقاط بحرانی شبکه شناسایی شده و مقاوم سازی می شود و همچنین، هزینه تعویض لوله را وجود نخواهد داشت؛ ولی در مجموع، از نظر منطقی صرف چنین هزینه ای به منظور تعمیر و با توجه به مشکل شدن تردد و کارهای روزمره برای شهروندان، چندان مقرون به صرفه نیست؛ بر این اساس، اگر بتوان بدون خرابی در خیابان ها و صرف هزینه اضافی و به وجود آوردن مشکلات حمل و نقلی، کاربری لوله را بهبود بخشید، به مقصود خود بهتر و راحت تر، دست خواهیم یافت.
پلیمرهای مسلح با الیاف (FRP)
کابرد مواد مرکب به دهه ۱۹۴۰ میلادی باز می گردد؛ این مصالح در ابتدا در هوافضا استفاده می شد؛ ولی پس از دهه ۱۹۸۰ میلادی در صنعت ساختمان سازی نیز جهت مقاوم سازی سازه ها وارد شد. از مزایای این مواد می توان به مقاومت کششی و سختی بالا، وزن کم، مصونیت در برابر خوردگی و از بین رفتن، نصب آسان در فضاهای محدود، کاهش در هزینه ی نیروی انسانی، قابلیت نصب در طول های زیاد و قابلیت نامحدود در اندازه و ابعاد و هندسه اشاره نمود. اصطلاح FRP، به پلیمرهای مسلح به الیاف اطلاق می شود که از دو جزء اصلی الیاف و رزین تشکیل شده است. الیاف به عنوان بخش اصلی، دارای رفتاری کاملا الاستیک و ترد با مقاومت کششی و ضریب کشسانی بسیار بالا می باشند. این الیاف بر اساس نوعشان، دارای قطر های متفاوتی بین ۵ تا ۲۵ میکرون می باشند . رزین اثر مستقیمی در ضریب کشسانی و مقاومت کششی FRP نداشته و تنها به عنوان نگه دارنده و در بر گیرندهی الیاف در کنار یکدیگر عمل کرده و تنش ها را به الیاف منتقل می نماید. کامپوزیت FRP با قراردادن الیاف ممتد در یک زمینه ی رزینی که الیاف را به یکدیگر می چسبانده ساخته می شود. این الیاف با توجه به رفتار مورد نیاز، در یک یا دو جهت و یا به صورت تصادفی قرار داده می شوند. از سه نوع مواد مرکب الیاف شیشه ای GFRP، الیاف کربنی CFRP و الیاف آرامید AFRP بیشتر در مهندسی عمران استفاده می شود: الیاف شیشه به چهار دسته E-glass ، Z-glass ، S-glass ، AR-glass تقسیم بندی می شوند. متداول ترین نوع الیاف شیشه نوع E-glassمی باشد که در مهندسی عمران کاربرد بیشتری دارد. این نوع الیاف، حاوی مقدار زیادی اسید بوریک و آلومینیت است و در محیط های قلیایی مقاومت کمی دارد. الیاف کربن نیز، مقاومت بسیار خوبی در محیط های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی کاملا پایدار هستند. این الیاف مدول الاستیسیته و مقاومت بالایی داشته و هیچ گونه خزشی ندارند. مقاومت در برابر اشعهی فرابنفش و ضریب انبساط حرارتی پایین از ویژگی های این الیاف است در فصل دوم، به ویژگی های این مواد، به صورت جامع تر پرداخته خواهد شد.
تعویض و یا مقاوم سازی لوله از بیرون آن، معایبی همچون کاهش عرض مسیر تردد، راهبندان، ریسک تصادف، هزینه ی لازم جهت خاک برداری، زیرسازی و روسازی جاده، هزینه ی لوله ای جدید خواهد داشت ، برای ممانعت از تکرار معایب این دو روش، لوله ی خورده شده را با ورق تقویت FRP از داخل، مقاوم سازی و میزان کارایی و افزایش ظرفیت لوله با این روش بررسی و ارزیابی می شود، با توجه به این که مقاوم سازی لوله از داخل آن، عرض معابر را کاهش نداده و در هر مکانی قابل انجام است، محدودیتی از حیث اجرا نخواهد داشت و اگر این روش، تنش ها را کاهش داده و ظرفیت لوله را بالا ببرد، می تواند بسیار بهینه و مقرون به صرفه باشد. بر این اساس، در این پژوهش، این روش مطالعه شده و میزان کاهش تنش ها در لوله و افزایش ظرفیت لوله مورد بررسی قرار می گیرد.
