Ve stavebnictví se nejčastěji setkáváme se svařováním termoplastických konstrukcí při výrobě nádob, zásobníků nebo různých technologických nádrží v chemickém průmyslu. Patří sem především nádrže pro čistírny odpadních vod, septiky, čerpací šachty, míchací nádrže, vodoměrné šachty, lapáky tuku a škrobu, různé typy odlučovačů a nebo bazény.

Pro navrhování a svařování uvedených termoplastických konstrukcí se používaly a doposud v zemích, které nemají své vlastní normy používají německé předpisy DVS. Tyto předpisy jsou obecně uznávaným technickým předpisem v celé Evropě, zvláště také proto, že se vesměs používají pro svařování termoplastů svařovací německé přístroje.

Se vstupem naší republiky do EU se začaly používat evropské normy, takže i pro oblast navrhování termoplastických nádrží byly vydány nové normy řady ČSN EN 12573, základní návrhová norma ČSN EN 1778 a některé další normy související s problematikou zkoušení např. ČSN EN 13100-1, řada norem ČSN EN 12814 nebo normy z oblasti kvalifikace personálu ČSN EN 13067.

Nejčastěji se používají svařované konstrukce různých nádrží či zásobníků z termoplastů, přičemž se jedná zásadně o beztlaké nádrže, které můžeme rozdělit: Podle umístění na:

• Nádrže nadzemní – jedná se především o nádrže pro instalaci v budovách, ale i pro venkovní montáž, u kterých se vždy musí brát v úvahu působení UV záření a povětrnostních podmínek a pro jejich navrhování se používá ČSN EN 12573-1
• Nádrže uložené v zemi – zde se jedná o nádrže, u kterých je nejdůležitější si uvědomit působení zatížení zemním tlakem, tlakem podzemní vody, nahodilou dopravou aj.

Podle tvaru:

• Válcové vertikální – pro jejich navrhování platí ČSN EN 12573-2 Většinou se jedná o stojící nádoby s plochým dnem, kdy plášť nádoby je vyroben buď z trubky s odstupňovanou tloušťkou stěny a odpadá tak podélný svar nebo pak plášť vyrobený z desek skružováním a následným svařením. Nádrže se vyrábějí jako jednoplášťové nebo dvouplášťové s víkem nebo bez víka. Konstrukce víka může být buď jednoduchá, nebo při větším zatížení víka se podepře prstencovou podložkou, popřípadě se vyztuží žebry nebo se jen volně nasadí. Při návrhu nádrží je třeba zohlednit i konstrukci ok pro manipulaci s nádrží, patek pro ukotvení nádrže k podložce a vhodné umístění a provedení napouštěcích a vypouštěcích hrdel.

• Hranaté nádrže – pro jejich navrhování platí ČSN EN 12573-3 – jsou charakteristické velkým počtem vysoce namáhaných svarových spojů a při konstrukci se snažíme umístit svary do míst s nejmenším ohybovým momentem. Z hlediska konstrukce se nejčastěji navrhují hranaté nádrže zesílené plastovými žebry a velmi často také ocelovými profily, které však mají rozdílnou tepelnou roztažnost, a proto je můžeme používat jen k zesílení stěn pouze u nádrží s ustáleným tepelným režimem.

Nejdůležitější konstrukční a výrobní zásady:

• K rozhodujícím parametrům při dimenzování nádob patří teplota jak okolí tak média v nádobě a jejich kolísání
• Nezapomínat na zatěžovací stavy, které vznikají při přepravě a montáži nádrží
• Vlezný otvor musí mít všechny nádrže nad objem 2000 litrů
• Zavzdušňovací potrubí musí mít o 30 % větší světlost než nátokové a přítokové potrubí
• Brát v úvahu povolené maximální rozměry vertikálních válcových nádrží , které jsou uvedené v DVS, a to průměr max. 4 m , poměr výšky k průměru max. 6 a tloušťka stěny jakékoliv nádrže min. 4 mm
• Křížení svarů v konstrukci je nepřípustné
• Při skružování plášťů válcových nádob z desek za studena je důležitým faktorem stav protažení krajního vlákna desky. Z tohoto hlediska je přesně dán limitní poměr mezi silou stěny a minimálním průměrem pláště nádoby. ČSN EN 12573-2 určuje protažení krajního vlákna ε = t/d . 100 v %. Materiály dle ČSN EN 1778: PE-HD… ε = 1,0% PP-H …ε = 0,5% PVC-U… ε = 0,15 PP-B… ε = 0,75% PVDF… ε = 0,5% Pokud dovolené protažení přesáhne maximální dovolenou hodnotu je nutno přistoupit ke tvarování za předehřevu daného polotovaru – desky.
• Po svaření pláště se s ním může manipulovat až se sníží teplota svařence pod 30°C
• Je zakázané manipulovat s nádrží při teplotách nižších jak 5°C
• Nádoba se nesmí uvést do provozu nejdříve za 20 dní po vyrobení

Výběr materiálu

Pro konstrukce nádob z termoplastů se nejčastěji používají materiály pro desky a trubky:

• Z polyetylenu – PE (PE-63, PE-80, PE-100)
• Z polypropylenu – PP (PP-H, PP-B, PP-R)
• Z polyvinylchloridu – PVC (PVC-NI, PVC-RI, PVC-C)
• Z polyvinyldenfluoridu – PVDF

Při výběru vhodného druhu termoplastu musíme brát v úvahu chování materiálu při působení časově závislých faktorů, jako jsou únosnost, tečení, relaxace, smršťování, bobtnání, znát velikost zatížení, vnitřního pnutí, tvar a velikost konstrukce, technologii výroby a spojování, zatížení teplotou nebo UV zářením, požadovanou délku životnosti konstrukce, vliv okolního média, okolního nebezpečného prostředí a velikost dlouhodobého koeficientu svarového spoje.

Příprava polotovarů před vlastním svařováním konstrukce nádrže je poměrně snadná, neboť plasty mají malou tuhost a tak se obrábí, dělí nebo tvarují lehce za pomocí klasických třískových nebo beztřískových postupů. Při jejich použití se musí dávat pozor, aby na dělených polotovarech nevznikaly vruby nebo trhliny.

Také volba přídavného materiálu ovlivňuje jeden ze základních faktorů a to je pevnost svarového spoje. Pro přídavné materiály platí ČSN EN 12943, která uvádí oblast použití a definuje jak základní tvary drátu, tak jejich rozměry, označování, požadavky na kvalitu a zkoušení. Zvláštní důraz je třeba klást na skladování a manipulaci s přídavnými materiály, protože i sebe lépe navržená a vyrobená konstrukce může být znehodnocena špatnou jakostí přídavného materiálu.

Konstrukční návrh

Pro navrhování a posuzování konstrukcí z termoplastů se často používá zjednodušený výpočet, a to pomocí dovoleného napětí a modulu tečení, které jsou určeny v závislosti na čase, úrovni teploty a vlivu okolního prostředí. Modul tečení je určen podle maximální předpokládané úrovně napětí v konstrukci a pak je aplikován na celou konstrukci. Tímto způsobem lze navrhovat a posuzovat jen některé ve vnitřním prostoru umístěné válcové a hranaté nádrže pro beztlaké ukládání tekutin, přičemž je nutno použít pro statický výpočet materiálové hodnoty, které jsou získané z výsledků dlouhodobých zkoušek a uvádí je norma ČSN EN 1778. V uvedené normě je stanoven statický výpočet podle pevnosti a statický výpočet podle stability a ohybu. V normě jsou uvedeny všechny hodnoty, korekční a svařovací faktory a koeficienty bezpečnosti, které potřebujeme pro výpočet dovoleného napětí (σdov1), modulu tečení ve výpočtu stability (Ec (dov)St) a modulu tečení k určení deformací (Ec (dov)D). Korekční faktory nám zohledňují např. houževnatost materiálu v závislosti na teplotě, vliv pracovního média na pevnost při tečení materiálu a faktor zohledňující bobtnání. Velikost koeficientu bezpečnosti závisí na druhu zatížení a stupni ohrožení.

Zatížení

Konstrukce musí být posuzována při zatížení, které je z hlediska únosnosti nejnebezpečnější. Velikost zatížení je pak dána aplikací posuzované konstrukce. Pro výrobky z oboru čištění odpadních vod a ostatních výrobků jsou velikosti a kombinace zatěžovacích stavů uváděny ve výrobkových normách např.: ČSN EN 12566-1 Malé čistírny odpadních vod Část 1: prefabrikované septiky. V této normě je např. uvedeno v konstrukčním provedení, že septiky musí odolávat při plánované životnosti nejvyšším zatížením a namáháním vyvolaným při manipulaci, instalaci a provozu včetně odstraňování kalu. V závislosti na konečném využití septiku se při výpočtech zatížení používají součinitelé spolehlivosti, na které je septik navrhován, přičemž se musí uvažovat o zatížení zemním tlakem, hydrostatickým tlakem a nahodilým zatížením dopravou. V Příloze D jsou pak uvedeny zkušební metody pro chování stavební konstrukce při zatěžování. Pro septik vyrobený z polyethylenu platí metoda typu D a spočívá v uložení septiku bez poklopu, nebo bez šachtového nástavce do lože z písku o určité zrnitosti a vlhkosti, přičemž je rovnoměrně zatěžován na horní části septiku za použití zatěžovací desky. Zatěžování se zvyšuje až do meze porušení a zaznamená se plošné zatížení v kN/m2 při porušení.

V ostatních případech určování velikosti zatížení použijeme příslušné normy, které určují velikost zatížení stavebních konstrukcí např. ČSN P ENV 1991, část 1 a 3.

Pevnostní výpočet bezprostředně souvisí s výrobní výkresovou dokumentací, v které je třeba uvést všechny údaje, jako je způsob svařování, typ svařovacího zařízení, velikosti svarových ploch, polohu svařování, toleranci kruhovitosti u válcových nádrží apod. Pro plasty však bohužel pro vytváření jednotné výkresové dokumentace neexistuje norma a proto se využívají některé normy z oblasti svařování kovů jako je norma pro označování svarů na výkresech ČSN EN 22553 nebo pro definici pracovních poloh při svařování ČSN EN ISO 6947. Ostatní záležitosti pak jsou ponechány na zkušenostech konstruktéra.

Výpočet

Statický výpočet konstrukce a výrobní dokumentace musí být vypracována vždy vyžaduje-li to zákon, Nařízení vlády č. 163/2002Sb. pokud se jedná o nádrže použité ve stavbě, nebo č.190/2002Sb, kde jsou uvedeny stavební výrobky podléhající schvalování. Vlastní výpočty jsou podpořeny výpočetním systémem, který dokáže zohlednit tvarovou členitost i chování výrobku při jednotlivých zátěžových stavech nebo jejich kombinaci. Od firmy SIMONA, Rőchling apod. jsou k dispozici dimenzační výpočtové systémy, které u jednoduchých konstrukcí umožní stanovení rozměrů jednotlivých částí konstrukce z termoplastu. Nevýhodou je, že lze s nimi provádět pouze výpočet nadzemních konstrukcí a že výsledkem výpočtu není velikost napětí a přetvoření v konstrukci. Pro nadzemní nádrže a jejich dílce z termoplastů pro beztlaké ukládání vodu ohrožujících tekutin (septiky apod.) je nutné použít ještě směrnici č. MOS/AVKT/101. Podzemní nádrže jsou obvykle řešeny vzhledem k počtu zatěžovacích stavů a posouzení stability pomocí softwaru (např. programový systém ANSYS, nebo NEXIS) založeného na metodě konečných prvků (MKP) při současném použití norem ČSN EN či směrnic DVS, popř. podle konkrétních informací od výrobce. Pouze MKP lze u nadzemních, podzemních nádrží a i u ostatních typů termoplastových konstrukcí vypočítat a provést důkaz, že daná konstrukce vyhovuje na napětí, přetvoření a zejména stabilitu (boulení). Z výše uvedených kapitol je patrné, že pro svařované konstrukce různých nádrží či zásobníků z termoplastů se musí provést pro jednu konstrukci několik samostatných výpočtů s rozdílnými vstupními údaji, abychom dostali korektní výpočet s přihlédnutím na fyzikální nelinearitu materiálu. Dále je třeba si uvědomit, že pokud nejsou dodrženy či splněny určité technické požadavky, jako je kvalitní provedení konstrukce, správné určení zatížení, správná volba a příprava materiálu aj., může úloha, která byla řešena určitým programovým systémem ztrácet smysl.