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Standsicherheitsnachweise für selbsttragende Inliner wurden in der Vergangenheit in Deutschland ausgehend vom ATV-M 143 Teil 3 [ATVM143-3] meist in Anlehnung an das ATV-A 127 [ATVA127:1997] geführt, obwohl die letztgenannte Richtlinie ausschließlich für Neuverlegungen entwickelt wurde und von einem Rohr-Boden-Tragsystem ausgeht (elastisch gebetteter Kreisring). Da dessen kinematisch zulässige Verformungsfiguren ebenso wie die resultierenden Beanspruchungen … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnungen selbsttragender Auskleidungen in Form von Rohren
(Bild: Darstellung verschiedener Pfade im Last-Verschiebungsdiagramm nach [Krätz94])
Bei der Versagensanalyse wird die Lastgröße berechnet, bei der die Struktur eine weitere Lasterhöhung nicht oder nur unter unzulässig großen Verformungen aufnehmen kann. Eine genaue Darstellung des theoretischen Hintergrundes wird z.B. in [Hibbi95] [Krätz94] [Mehlh95] [Steup66] gegeben. Folgende Begriffe sind von entscheidender Bedeutung (Bild 5.3.2.6.1.1) :
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnungen selbsttragender Auskleidungen in Form von Rohren In der Vergangenheit wurden verschiedene empirische und analytische Lösungsansätze zur Ermittlung des kritischen Beuldrucks kreisrunder Rohre unter Außendruckbelastung entwickelt [Guice94d] . Grundlegende Zusammenhänge zum Beulverhalten des freien Rohres wurden von Timoshenko in [Timos61] dargestellt. Darauf aufbauend beschreibt Gaube [Gaube74] das besondere Versagensverhalten gebetteter Kunststoffrohre durch halb-empirische Ansätze. Eine Beschreibung … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens (Bild: Beulen eines freien Ringes unter Außendruck [Guice94a]) Timoshenko beschreibt das Beulverhalten des freien, dünnen Ringes, der mit einem konstanten Außendruck radial belastet wird. Im Falle einer beliebig kleinen Anfangsverformung kommt es unter kritischer Belastung zum Beulen des Kreisringes, wie im Bild 5.3.2.6.1.2.1 dargestellt. Das Biegemoment M an einer beliebigen Stelle des Kreisringes kann dann aus den Gleichgewichtsbedingungen und … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Gaube hat ausgehend von Versuchen an freien und eingeerdeten PE-HD-Rohren unter Außenwasserdruck einen halb-empirischen Ansatz zum Standsicherheitsnachweis gebetteter Abwasserrohre aus Kunststoff entwickelt [Gaube74] . Dabei werden sowohl die Stützwirkung des Bodens als auch die von der Erdlast herrührende Verformung (Unrundheit) des Rohres berücksichtigt. Zunächst wird der Beuldruck des freien unverformten Rohres gegenüber äußerem Wasserdruck entweder … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Glock analysierte das Stabilitätsproblem eines starr ummantelten, linear elastischen Kreisrings unter Außenwasserdruck unter Verwendung geometrisch nichtlinearer Verformungsbeziehungen nach der Energiemethode. Reibung zwischen Rohr und Ummantelung, Imperfektionen der Belastung und Geometrie sowie nichtlineares Werkstoffverhalten wurden nicht berücksichtigt. Ein Ablösen des Rohres von der Ummantelung wird durch die aus den Umfangsspannungen resultierende … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Cheney [Chene71] untersuchte wie Glock das Beulverhalten eines von einer starren Ummantelung umschlossenen Ringes unter Außendruck unter der Voraussetzung linear elastischen Werkstoffverhaltens. Seine Analyse erfolgte in Anlehnung an die Stabilitätstheorie des Bogenträgers [Timos61] [Guice94c] . Für kleine Verhältnisse t/Dm ergibt sich der kritische Beuldruck demnach zu: (Formel: Kritischer Beuldruck (Cheney)) |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Auch Chicurel [Chicu68] untersuchte das Beulverhalten eines dünnen, elastischen ummantelten Ringes in Anlehnung an die Stabilitätstheorie des Bogenträgers [Timos61] . Er ging allerdings davon aus, daß der innere Ring die äußere Druckbelastung aufgrund einer Durchmesserverkürzung der reibungsfreien Ummantelung erfährt, wie sie z.B. durch Schwindvorgänge denkbar ist. Obwohl dieser Ansatz nicht exakt dem Verhalten eines Inliners unter äußerem Wasserdruck … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Lo und Zhang [Lo94] entwickelten in Anlehnung an die Stabilitätstheorie des Kreisbogenträgers [Timos61] ein Modell für das Beulen des kreisförmigen Inliners, welches auch den Einfluß eines kleinen Ringspaltes berücksichtigt. Die Gesamtspaltweite setzt sich aus zwei unterschiedlichen Anteilen zusammen, der Anfangsspaltweite Δ1 und der durch hydrostatischen Druck entstehenden Spaltweite Δ2. Es wird zwischen einer unsymmetrischen und einer symmetrischen … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Falter untersuchte das Tragverhalten von Inlinern anhand von nichtlinear geometrischen Berechnungen an Stabwerksmodellen [Falte94a]. Die Berechnungen erfolgten unter der Annahme einer über die Rohrlänge konstanten Belastung, vernachlässigbarer Reibung zwischen Altrohr und Inliner und richtungstreuer Lasten für "kleine Verschiebungen", wobei auch Vorverformungen und Spaltbildung Berücksichtigung fanden. Ausgangspunkt ist die Beulformel (5-14) (Bild … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Der Ansatz der American Society for Testing and Materials F 1216-93 [ASTMF121693] zur Berechnung des kritischen Beuldruckes geht auf Versuche an Schlauch-Inlinern in Stahlrohren zurück, bei denen der Durchmesser, die Wanddicke und der Elastizitätsmodul variiert wurden. Die Inliner wurden bis zum Versagen beansprucht und der Versuchsbeuldruck mit dem kritischen Beuldruck des freien Rohres nach Timoshenko (5-6) (Formel 5.3.2.6.1.2.1) über einen Steigerungsfaktor … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Wagner führte Kurzzeitbeulversuche durch, bei denen insgesamt 135 Insituform-Rohre der Länge 3,50 m durch Aufbringen eines radialen, äußeren Wasserdruckes bis zum Versagen belastet wurden. Als starre Ummantelung wurden nahtlos hergestellte Stahlrohre mit den Nennweiten DN 250 und DN 300 verwendet. Zur Ermittlung der Beullasten wurde von Wagner anhand der Versuchsergebnisse folgende in ihrer Gültigkeit auf den Bereich 15 < r/ws < 120 beschränkte Beulgleichung … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Empirische und analytische Ansätze zur Beschreibung des Stabilitätsversagens Zur Bemessung von Inlinern wird im allgemeinen von einem standsicheren Altsystem ausgegangen, da Aussagen über eine mittragende Wirkung bisher nicht zuverlässig möglich sind. Wie für das Rohr-Boden-System nach [ATVA127:1997] müssen auch für das Rohr-im-Rohr-System der Spannungsnachweis, Verformungsnachweis und Stabilitätsnachweis geführt werden. Nichtlineare FEM-Berechnungen sind einer Überlagerung analytischer Lösungen stets vorzuziehen. Für den … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnungen selbsttragender Auskleidungen in Form von Rohren Numerische Berechnungsmethoden nehmen heute in vielen Bereichen des Ingenieurwesens einen hohen Stellenwert ein. Wegen ihrer vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten ist die Finite-Elemente-Methode (FEM) das am häufigsten verwendete Verfahren, wenn auch die Randelemente-Methode (REM), Diskrete-Elemente-Methoden (DEM) sowie die Finite-Differenzen-Methoden (FDM) in einigen Fällen sinnvolle Alternativen darstellen [Schwe94] . Bei der Finite-Elemente-Methode … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Berechnungen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) Der kreisrunde Inliner wird über den Rohrumfang mit einer ausreichenden Anzahl von Elementen und über die Schichtdicke mit mehreren Elementlagen generiert. Die Netzverfeinerung sollte sich als ausreichend erweisen, um auch erhebliche Wanddickenvergrößerungen noch wirklichkeitsgetreu modellieren zu können [Mielk97] . Es könnten z.B. 8-knotige isoparametrische Kontinuumelemente (CPE8, [Hibbi95] ) mit quadratischen Geometrie- und Verschiebungsansätzen … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Berechnungen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM)
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnungen selbsttragender Auskleidungen in Form von Rohren Die Theorien von Glock und Timoshenko stellen die Grenzfälle des Beulversagens von Kreisquerschnitten dar. Aus ihnen ergibt sich für das freie Rohr nach Timoshenko: (Formel: Kritische Beullast für das vollwandige freie Rohr der Länge "1" (Timoshenko)) für das Rohr-im Rohr-System nach Glock: (Formel: Kritischer Beuldruck (Glock)) Beim Vergleich der von Glock für das Rohr-im-Rohr-System berechneten Beullastwerte mit denen aus der FEM-Berechnung ermittelten … |
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16.02.2011 Zur Beschreibung des Trag- und Versagensverhaltens von selbsttragenden Inlinern mit Kreisquerschnitt existiert eine Vielzahl analytischer und empirischer Ansätze, die für sehr unterschiedliche Randbedingungen ermittelt wurden und daher ohne Kenntnis des theoretischen Hintergrundes die direkte Übertragung auf praxisnahe Berechnungen erschweren. Sie erfassen in der Regel nur das Stabilitätsversagen des kreisförmigen freien bzw. ummantelten Rohrquerschnitts … |
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Statische Berechnung von Inlinern, die im Noppenbahnverfahren eingebracht werden |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnung von Inlinern, die im Noppenschlauchverfahren eingebracht werden Das charakteristische Tragverhalten des Inliners unter einer stetig wachsenden Biegebeanspruchung mit Normalkraft läßt sich in zwei unterschiedliche Phasen einteilen, wobei er sich in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Biegemoments, d.h. von der Biegerichtung unterschiedlich verhält. Die erste Phase ist dadurch definiert, daß die maximal aufnehmbare Zugspannung im Injektionsmörtel noch nicht erreicht ist, d.h. der Inliner sich noch in einem ungerissenen … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnung von Inlinern, die im Noppenschlauchverfahren eingebracht werden Grundlage für die Durchführung der statischen Berechnung sind die Querschnittswerte des verwendeten Wandaufbaus, die hier nicht nur von Baustoff und Geometrie sondern auch von der Beanspruchung abhängig sind. Bild 5.3.2.6.2.3 , Bild 5.3.2.6.2.3 und Bild 5.3.2.6.2.3 zeigen die Beanspruchbarkeit von mit dem Noppenschlauchverfahren hergestellen Inlinern verschiedener Wanddicke, wobei die Dicke des PE-HD-Schlauchs in allen Fällen 2 mm beträgt und ausschließlich … |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnung von Inlinern, die im Noppenschlauchverfahren eingebracht werden Zu Beginn der statischen Berechnung wird davon ausgegangen, daß sich der gesamte Kreisringquerschnitt im Zustand I befindet. In einem ersten Schritt werden die Einwirkungen entsprechend der Belastungsform und -historie solange gesteigert, bis an einer Stelle erstmals die Beanspruchbarkeit des Querschnitts erreicht wird. Je nach der Biegerichtung wird an dieser Stelle der Querschnitt in den Zustand II überführt, d.h. die Biegesteifigkeit wird in … |
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Die nachfolgenden Ausführungen zur statischen Berechnung des Inliners basieren im wesentlichen auf der von der Hoechst AG herausgegebenen "Technischen Dokumentation - Rohre aus Hostalen GM 5010 T2 und Rohre aus Hostalen PP" bzw. den entsprechenden Veröffentlichungen [Meldt82] [Koch85] (s.a. [Britt86] ). Hinsichtlich der Beanspruchung von biegeweichen Rohren durch hydrostatischen Außendruck siehe Abschnitt 5.3.2.6.1 . |
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16.02.2011 |
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