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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 Die maßgebenden, materialphysikalischen Eigenschaften der beiden verschiedenen Schichten sind in Tabelle 5.3.2.6.2.1 zusammengefaßt. Die Kennwerte für PE-HD sind dem ATV-Merkblatt M 127-2 [ATVM127-2] entnommen, wobei davon ausgegangen wird, daß die angegebenen Grenzwerte auch hinsichtlich der speziellen Beanspruchung im Verbundquerschnitt gelten. Die charakteristischen Werte für die Injektionsmörtelschicht wurden über Druck- und Biegezugversuche … |
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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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Die Kraft F zum Ziehen eines Rohrstranges mit Steigung oder Gefälle (Bild 5.3.2.6.3.1.1.1) ergibt sich aus der Gleichung: (Formel: Berechnung der Zugkraft zum Ziehen eines Rohrstrangs) (Bild: Zugkraft F und Neigungswinkel in Anlehnung an [Koch85] [FI-Hoech] [Bild: S&P GmbH]) Die Zugkraft F ruft im Rohr mit dem Querschnitt A die Zugspannung σZ hervor (Bild 5.3.2.6.3.1.1.1) , die kleiner als die zulässige Zugspannung σZ,zul sein muß. (Formel: Zugspannung) |
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Beim Einziehen in gekrümmte Leitungen darf die Summe der beim Ziehen und Biegen auftretenden Einzeldehnungen die zulässige Gesamtdehnung von 3 bis 4 % nicht überschreiten. Läßt man beim Ziehen eine Dehnung von 2 % zu, so beträgt die zulässige Dehnung durch das Biegen im Bereich der Krümmungen noch etwa 1 bis 2 %. (Formel: Zulässige Dehnung) Als Kriterien für die Bestimmung der zulässigen Biegeradien sind einmal bei kleinem Verhältnis von Rohrwanddicke … |
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16.02.2011 Die oben ermittelten Zugkräfte müssen kleiner als die in Tabelle 5.3.2.6.3.1.2 angegebenen zulässigen Kräfte sein. (Tabelle: Zulässige Zugkräfte für PE-HD-Rohre nach DIN 8074 bzw. DIN 8075 und Rohre aus PP-Copolymer nach DIN 8077 bzw. DIN 8078 Teil 2 bei 20° C (bei 40° C sind die Werte mit dem Faktor 0,6 zu multiplizieren) (Hoechst AG)) |
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(Bild: Zugkopf mit Bolzenverbindung in Anlehnung an [FI-Hoech] [Koch85] [Bild: S&P GmbH]) Die zulässigen Zugkräfte werden nicht nur durch die Zugspannung im Rohr, sondern auch durch die im Bereich des Zugkopfes auftretenden Spannungen begrenzt. Je nach Konstruktion des Zugkopfes werden die Kräfte auf das Rohr über eine Schweißverbindung (bei angeschweißtem Einziehkonus), eine Flanschverbindung mit Vorschweißbund oder eine Bolzenverbindung übertragen |
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16.02.2011 Instandhaltung von Kanalisationen Statische Berechnung von Auskleidungen, die im Rohrstrangverfahren eingebracht werden Beanspruchung der Rohre während der Ringraumverfüllung |
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16.02.2011 Bei der Verfüllung des Ringraumes zwischen altem Rohr und eingezogenem PE-HD-Rohr mit einem Dämmer vom spezifischen Gewicht γD > γR (γR = spezifisches Gewicht des Rohres) wird das ungefüllte PE-HD-Rohr durch die Kraft Fv(Formel 5.3.2.6.3.2.1) beansprucht (Bild 5.3.2.6.3.2.1). (Formel: Beanspruchung des PE-HD-Rohres durch die Ringraumverfüllung) (Bild: Auftriebskraft Fv in Anlehnung an [FI-Hoech] [Koch85] [Bild: S&P GmbH]) Für ein wassergefülltes Rohr … |
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16.02.2011 Beim Verfüllen des Ringraumes wirkt auf das Rohr ein hydrostatischer Druck Ph(Bild 5.3.2.6.3.2.2) . Dieser Druck darf nicht größer sein als der zulässige Beuldruck P k,zul des Rohres, um Schäden zu vermeiden (Bild 5.3.2.6.3.2.2) [WRC83] . Bild 5.3.2.6.3.2.2 können für Rohre aus PE-HD und PP-Copolymer die Beuldrücke p K in Abhängigkeit von der Zeit für verschiedene Rohrreihen bzw. Druckklassen bei 20° C entnommen werden. Bei höheren Temperaturen … |
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Neben den im Abschnitt 5.3.2.6.1 vorgestellten allgemeinen Nachweisverfahren sind aufgrund von weiteren Beanspruchungen noch andere Nachweise zu führen, die in einer Berechnung von Auskleidungen berücksichtigt werden. |
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16.02.2011 Wird die eingezogene Rohrleitung ohne Ringraumverfüllung als Druckleitung genutzt, ist das Rohr einschließlich Verbindung und Formstücke so zu dimensionieren, daß es den Innendruck während der gewünschten Betriebsdauer - im kommunalen Bereich mindestens 50 Jahre - sicher aufnehmen kann. Dies gilt auch für den Fall, daß der Ringraum verfüllt wird und der Dämmer einschließlich der alten Rohrleitung den Innendruck jedoch nicht aufnehmen kann. Die eingezogenen … |
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16.02.2011
(Bild: Belastung durch den hydrostatischen Druck [FI-Hoech] [Koch85])
Liegen die zu sanierenden Rohrleitungen im Grundwasserbereich wird bei undichten bzw. wasserdurchlässigen Rohren der Kunststoffinliner durch die Grundwassersäule über dem Rohrkämpfer belastet (Bild 5.3.2.6.4.2) . Für unverdämmte, drucklos betriebene PE-HD-Rohre ohne seitliche Stützwirkung gelten dann z.B. die in Versuchen ermittelten Beuldrücke pk nach Bild 5.3.2.6.3.2.2 . Andere … |
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16.02.2011 Ist das zu sanierende Rohr-Boden-System allein nicht tragfähig, so ist für das Kunststoffrohr eine statische Berechnung durchzuführen. In der Bundesrepublik Deutschland erfolgt die statische Berechnung für Entwässerungskanäle und -leitungen nach ATV-A 127 [ATVA127:1997] , wobei für Kunststoffrohre nach 50 Jahren Betriebsdauer eine zulässige Verformung von 6 % zugrundegelegt wird. Bei einem nach dem Relining-Verfahren verlegten Rohr werden der umgebende … |
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16.02.2011 Der Längenausdehnungskoeffizient von PE-HD- und PP-Rohren beträgt etwa 0,17 mm/(m·K). Ist ein Kunststoffrohr zwischen zwei Punkten fixiert, so tritt aufgrund der behinderten Wärmedehnung bei Erwärmung eine Druck-, bei Abkühlung eine Zugspannung auf. In dem untersuchten Temperaturbereich von - 40° C bis + 20° C wurde beim Abkühlen von PE-HD eine Zugspannung von max. 9,3 N/mm2, beim Erwärmen eine Druckspannung von max. 5,8 N/mm2 gemessen. Diese Spannungen, … |
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