Schachtsanierungen mit Hilfe von GfK‑Rohren bzw. GfK-Elementen

Abnehmen des Schachtkonus, Einbau eines GfK-Rohres, Verdämmung des Ringraumes

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass fabrikgefertigte Rohre mit einer hohen Steifigkeit eingebaut werden können, so dass ggf. alle Lasten also Grundwasserdruck, Erdlast und Verkehrslast, letztere meist auch als Radlast unmittelbar auf die Schachtabdeckung einwirkend, abgetragen werden können. Der baubetriebliche Nachteil besteht darin, dass für den Einbau der Schachtkonus abgenommen werden muss. Der Ringraum zwischen GfK-Rohr und bestehendem Schacht wird anschließend mit einem fließfähigen Dämmer ausgefüllt, was aus statischer Sicht zu einer zusätzlichen Ertüchtigung des Gesamtbauwerks führt, da ausgewaschene Fugen wieder verfüllt werden und die Dämmerschicht zusätzlich Druckkräfte in Vertikal- und Umfangsrichtung aufnehmen kann. Im konkreten Fall sollte, in Abhängigkeit von der erforderlichen Ertüchtigung des Schachtes, eine Abwägung zwischen Dämmerdruckfestigkeit (Vergrößerung der statischen Tragfähigkeit) und Fließfähigkeit (gleichmäßige Verdämmung) gefunden werden. Ferner muss die vorhandene Kanalwandung gereinigt und ggf. vorbehandelt werden z. B. um lockere Mörtelteile zu entfernen und einen guten Verbund zwischen Dämmer und Altrohr sowie zwischen Dämmer und Relingingrohr herzustellen. Bild 1 und Bild 2 zeigen eine derartige Sanierung. Nach Einbau des Rohres wird der Anschluss zum im Kanal eingebauten Inliner (meist Nadelfilz- oder GfK-Schlauchliner aber auch verdämmte GfK-Rohre) durch Überlaminate ausgeführt. Die Berme kann entweder durch den Einbau von Handlaminaten oder von GfK-Platten, die durch Überlaminate an das Gerinne und die GfK-Schachtwandung angeschlossen werden, ausgeführt werden.

Die zu berücksichtigenden Einwirkungen sind in Bild 3 dargestellt. Welche dieser Lasteinwirkungen bei der statischen Bemessung anzusetzen sind richtet sich nach dem Kanalzustand. Sofern die bestehende Konstruktion als standsicher aber nur undicht eingestuft wird sind die folgenden Nachweise erforderlich: Aufnahme der Wasseraußendruckbelastung p_a auf die GfK-Außenwandung, Auftriebsicherheit unter Wasseraußendruck, Tragfähigkeitsnachweis für die Sohlausbildung unter Wasseraußendruck p_a sowie schließlich der Nachweis für den Lastfall Dämmerdruck p_Dä im Bauzustand. Letzteres beinhaltet auch den Auftriebsicherheitsnachweis unter Dämmerdruck. Bei sehr stark geschädigten Schächten ist zusätzlich der Nachweis gegen die Einwirkung des horizontalen Erddruckes q_h sowie die Verkehrsbelastung aus SLW 60 (auch unmittelbare Eintragung der Radlast über die Schachtabdeckung p_V) zu führen. Bei den Nachweisen gegen Wasseraußendruck und gegen Dämmerdruck wird in der Regel von einer rotationssymmetrischen Belastung ausgegangen. Biegespannungen ergeben sich dann bei kreisförmigen Rohren durch den Ansatz von geometrischen Imperfektionen. Hier kann bei dem Einbau vorgefertigter GfK-Rohre in bestehende Schächte für den Lastfall Wasseraußendruck von den Imperfektionsansätzen der ATV M 127 Teil 2 [1] abgewichen werden, da sich verdämmte Rohre nicht den Verformungen des bestehenden Schachtes anpassen und zudem eine Spaltbildung zwischen GfK-Rohr und Dämmer nicht auf den Schrumpf des Rohres sondern des Dämmers zurückführen ist [4]. Konkrete normative Vorgaben diesbezüglich existieren gegenwärtig nicht. Es wird empfohlen ähnlich wie bei verdämmten Kanalrohren eine Spaltweite w_S von 1 bis 2 mm anzusetzen. Als Gelenkringvorverformung, näherungsweise als Ovalisierung angenommen, sollten die aus dem Lastfall Erd- und Verkehrslast resultierenden Deformationen berücksichtigt werden. Insbesondere die Lastfälle Wasseraußendruck und Dämmerdruck sind von großem Interesse, da sie zu einem Stabilitätsversagen durch horizontales Einbeulen der Schachtwandung sowie zu einem Aufschwimmen des Schachtes gerade während des Verdämmens führen können. Maßnahmen zur Vermeidung derartiger Schäden können in einer Verdübelung des Schachtes zur Altrohrwandung, in einer Wasserfüllung während der Verdämmung sowie in der Durchführungen von mehreren Verdämmschritten bestehen. Im letzteren Fall sollte ein Verdämmabschnitt erst dann erfolgen, wenn der im vorigen Abschnitt eingebrachte Dämmer eine ausreichend Steifigkeit aufweist um als Bettung zu wirken. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass die GfK-Rohre auch gegen Horizontalverschiebungen gesichert sind und dass während der Verdämmung möglichst geringe Druckhöhendifferenzen über den Rohrumfang auftreten. Der horizontale Erddruck q_h kann gem. ATV-DVWK M 127 [2] ermittelt werden. Er sollte jedoch nicht rotationssymmetrisch angeordnet werden, da sonst allein Druckkräfte, die keine Biegespannungen erzeugen, in dem GfK-Rohr auftreten. Gem. [3] wird vorgeschlagen in der einen Horizontalrichtung den vollen Erddruck q_h, in der rechtwinklig zugeordneten Richtung 50 % bis 80 % (je nach Baugrundverhältnissen) von q_h, anzusetzen (s. Bild 3b).

Besonderes Augenmerk ist schließlich auf den Sohlbereich zu richten, da er wegen der relativ flachen Bermen in Abhängigkeit von Grundwasserstand und Dämmerdruck zu einem Aufwölben (nach oben) neigt. Die Bodenkonstruktion muss, in Abhängigkeit von den Außendrücken, Wasser- bzw. Dämmerdruck) entweder ausreichend steif ausgeführt werden (große Wanddicke) oder besonders seitlich des Gerinnes mit Dübeln an die bestehende Sohle verankert werden.

Als Alternative zu den hier dargestellten ebenen Berechnungen bietet sich die räumliche Darstellung der Problemstellung und anschließende Berechnung mit der FE-Methode an. Bild 4 zeigt das statische Modell des Anschlusses eines Tangentialschachtes DN 1000 an einen Kanal DN 1700 (beide in GfK ausgeführt). Die Diskretisierung der Rohre kann alternativ mit Hilfe von Schalenelementen oder mit Hilfe von Volumenelementen erfolgen. Die Belastungen aus Wasserdruck, Dämmerdruck, Erddruck und Verkehrslast können als Pressungen auf die Elemente sowie als Lininenlast auf die Schachtoberkante (Radlast auf dem Schachtdeckel) aufgebracht werden. Erd- und Verkehrslasten können alternativ berücksichtigt werden indem auch der Baugrund durch Volumenelemente diskretisiert wird. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in der automatischen Berücksichtigung der räumlichen Erddruckverteilung sowie in einer realistischeren Berücksichtigung des Interaktionsverhaltens zwischen Baugrund, Schacht und Rohr. Sie hat in der Regel eine geringere statisch erforderliche Rohrwanddicke zur Folge. Die Berechnung ist jedoch deutlich aufwändiger und somit auch mit höheren Kosten verbunden als die Berechnung von ebenen Querschnitten.

Einbau längsgeschnittener vorverformter GfK-Rohre ohne Abnahme des Schachtkonus

Auch hier werden fabrikgefertigte Rohre verwendet. Sie werden in Axialrichtung aufgeschnitten und dann in Umfangsrichtung zusammengezogen um den Querschnitt soweit zu reduzieren, dass sie ohne Abnahme des Schachtkonus eingebaut werden können (Bild 5). Anschließend werden sie wieder aufgeweitet, die Schnittstelle wird dann mit Hilfe von Überlaminaten verbunden. Der Vorteil besteht darin, dass der Schachtkonus verbleiben kann. Das erforderliche Übereinanderschieben der Schnittufer in Umfangsrichtung (s. Bild 5) hat jedoch zur Folge, dass nur relativ geringe Rohrsteifigkeiten (möglichst flexible Rohre) ausgeführt werden können, da andernfalls die Materialfestigkeit des Rohres bereits bei dieser Zwangsbeanspruchung im Bauzustand überschritten werden kann. Dies bedeutet eine Beschränkung des Anwendungsbereichs auf Schächte, die noch voll standsicher hinsichtlich Erd- und Verkehrslasten sind und nur wegen Undichtigkeiten saniert werden. Erd- und Verkehrslasten können nicht abgetragen werden. Die Rohre können Close-Fit eingebaut werden, so dass keine Dämmerverfüllung erforderlich ist. Hinsichtlich der Ausbildung des Sohlbereichs sowie der Anschlüsse an die Abwasserleitung ergeben sich die gleichen Alternativen wie bei der ersten Variante (Einbau von verdämmten GfK-Rohren ohne Längsschnitt). D. h Überlaminatverbindungen zu den Schlauchlinernern oder verdämmten Linern im Kanalbereich, Beschichtung der Berme durch Handlaminate und Verwendung von GfK-Platten zur Beschichtung der Berme. Sofern die Auskleidung bis zur Schachtoberkante erfolgen soll, kann der Konus ebenfalls mit Handlaminaten ausgekleidet werden. Die Schnittkanten sind durch ein Überlaminat (s. Bild 5) zu verbinden. Dieses Überlaminat kann entweder tragend oder nur zur Abdichtung ausgeführt werden. Sofern es als allein statisch tragend für die Verbindung vorgesehen ist, muss die Ringnormalkraft aus Wasseraußendruck aufgenommen werden (s. Bild 5). Wenn das Laminat nur konstruktiv zur Gewährleistung der Dichtheit angeordnet wird, sind zusätzlich beidseitig des Vertikalschnittes Dübel in einem Abststand von ca. 15 cm, der Dübelabstand muss statisch nachgewiesen werden, anzuordnen. Die Lastfälle Erd- und Verkerhrslast und Dämmerdruck entfallen, da von einer ausreichenden Standsicherheit des bestehenden Schachtes ausgegangen wird. Die Biegebeanspruchung durch den Bauzustand (Querschnittsreduktion zur Ermöglichung des Einbaus ohne Abheben des Schachtkonus) ist statisch nachzuweisen.

Schachtsanierung mit Hilfe von verdübelten GfK-Platten

Die Sanierung bestehender Schächte mit Hilfe verdübelter GfK-Platten ist ebenfalls eine übliche Sanierungsvariante, bei Vorliegen einer ausreichenden Standsicherheit des vorhandenen Schachtes. Auch hier handelt es sich um eine Thematik, die in den Normen nicht klar geregelt ist. Die wesentlichen Problemstellungen werden im Folgenden aufgezeigt: Die Sanierung mit derartigen Verfahren kommt nur dann in Frage, wenn der bestehende Schacht noch eine ausreichende Standsicherheit aufweist, da die Auskleidung nicht dazu geeignet ist Erd- und Verkehrslasten anzutragen. Die Materialkennwerte müssen durch Eigen- und Fremdüberwachung bestätigt sein (z. B. Vorlage einer DIBT-Zulassung oder entsprechender Materialprüfungszeugnisse). Für die eingesetzten Dübel muss eine DIBT-Zulassung vorliegen. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass die Dübel für das vorhandene Schachtmaterial, in der Regel handelt es sich dabei um Mauerwerk oder Beton, zugelassen sind und die zulässigen Dübelabstände eingehalten werden. Die Platten müssen durch Überlaminate wasserdicht und u. U. auch kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Bild 6 zeigt eine ausgeführte Sanierung.

Die statische Nachweisführung hängt von der Schachtgeometrie, und den Materialkennwerten der eingesetzten GfK-Platten ab. Die GfK-Platten sind für die Einwirkung durch Wasseraußendruck statisch nachzuweisen. Bei kreisförmigen Schächten ist die Lastabtragung deutlich günstiger, da sie im Wesentlichen über die Ringnormalkraft in Umfangsrichtung erfolgt. Bei rechteckförmigen Querschnitten handelt es sich um ein reines Biegeproblem. Die erforderliche Wanddicke der Platten kann durch analytische Berechnungen oder durch FE-Berechnungen ermittelt werden. Bei der Auskleidung von ebenen Schachtflächen ist insbesondere auf die durch den Wasserdruck resultierenden Deformationen zu achten. Hierzu gibt es keinen normativen Grenz- oder Anhaltswert. Es wird daher empfohlen, einen derartigen Grenzwert vorab im Rahmen der Planung festzulegen, da die Plattenverformungen in Abhängigkeit von Dübelraster und Außendruck eine Größenordnung erreichen können, die nicht mehr akzeptabel ist (Matratzenmuster) obwohl die Tragfähigkeitsnachweise noch eingehalten sind. In Bild 7 ist die Diskretisierung einer Sohlauskleidung dargestellt. Bild 8 z. B. zeigt die Vertikaldeformationen dieses Schachtbodens mit einer Wanddicke von 3,0 mm und Anordnung eines Dübelrasters (Dübelabstand ≤ 15 cm) unter Einwirkung einer Wasseraußendruckbelastung von 5,0 m über Sohle. Es resultiert eine Verformung von immerhin 13,2 mm bei ausreichender Tragfähigkeit. Bild 9 zeigt die maximalen Hauptzugspannungen. Es ergibt sich ein Maximalwert von 28,23 N/mm². Gegenüber einer Langzeitfestigkeit von 60 N/mm² ist somit die erforderliche Scherheit von 2,0 eingehalten. Bei der Planung sollte auch berücksichtigt werden, ob die Wasseraußendrücke kurz- oder langzeitig anstehen, da die jeweils zugehörigen E-Module maßgeblich die Deformationen beinflussen. Im vorliegenden Fall wurde auf der Grundlage der durchgeführten statischen Berechnung eine minimale zulässige Dübelzugkraft von 2,0 kN vorgegeben. Die in der Zulassung angegebenen zulässigen Dübelkräfte sind statisch nachzuweisen. Dabei ist neben der Aufnahme der Ankerzugkräfte insbesondere auch auf die Gewährleistung der Auftriebssicherheit zu achten. Die Übertragung der Scherkräfte in die bestehende Schachtwandung muss abgesichert sein.

Fazit

Die gegenwärtig üblichen Verfahren zur Schachtsanierung unter Einsatz des Werkstoffes GfK wurden dargestellt. Die volle statische Tragfähigkeit unter der Einwirkung von Erdlast, Verkehrslast und Wasseraußendruck kann allein durch den Einbau eines Neurohres in den bestehenden Schacht erzielt werden. Dies bedingt die Abnahme des Schachtko-nus. Die beiden weiteren Varianten (längsgeschnittene, vorverformte GfK-Rohre und verdübelte GfK-Platten) be-schränken sich auf Schächte, die ausreichend standsicher sind. Sie sind lediglich gegen Wasseraußendruck zu be-messen. Ein besonderes Augenmerk ist auf die konstruktive Ausführung zu legen: Der Schacht ist vor der Ausführung zu reinigen (keine losen Teile, ggf. Nachprofilierung). Bei verdämmten Verfahren ist eine ausreichende Lagesicherheit sowie die Auftriebsicherheit zu gewährleisten. Beim Einbau längsgeschnittener GfK-Rohre ist darauf zu achten, dass durch die Vorverformung nicht schon die zulässige Beanspruchung überschritten wird und das Überlaminat bzw. die Dübel ausreichend bemessen sind. Sofern verankerte GfK-Platten ausgeführt werden ist insbesondere auf die Platten-deformationen und den Einsatz geeigneter Dübel zu achten.

Literatur

[1] ATV-Merkblatt M 127 Teil 2 "Statische Berechnung zur Sanierung von Abwasserkanälen und -leitungen mit Lining- und Montagever-fahren" (2000-01)
[2] ATV-DVWK-Arbeitsblatt A 127 "Statische Berechnung von Abwasserkanälen und -leitungen" (2000-08)
[3] Hoch, A.: Probleme der Rohr- und Schachtstatik, Standsicherheitsnachweise; Abfallwirtschaftsjournal 4 (1992) Nr. 2
[4] Doll, H.; Hoch, A.: Sanierung von Großprofilen mit Hilfe von Liningverfahren, statische Aspekte

Autoren: 
Dr.-Ing. Karl-Heinz Doll
LGA Bautechnik GmbH
Nürnberg
Tel: +49 (0)911 6554846
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Internet: www.lga.de

Dipl.-Ing.Volker Neubert
Kanal- und Umwelttechnik GmbH
Röthenbach/Peg.
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