Zusammenfassung der analytischen Berechnungsverfahren

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 Fall des Stabilitätsversagens eines ideal kreisrunden Inliners existieren jedoch auch sinnvolle Näherungen, die eine Vordimensionierung und qualitative Überprüfung der FEM-Ergebnisse gestatten [Falte94a] [Glock77] [Gaube77] [ASTMF121693] [Wagne92] [Lo94] [Weith97] [Falte94b] . Diese empirischen und analytischen Berechnungsansätze erfassen auch die Randbedingungen des gebetteten Inliners. Sie vernachlässigen allerdings i.a. die Reibung zwischen Altrohr und Inliner und setzen eine homogene Rohrwandung voraus. Eingangswerte der Berechnungsformeln nach [Falte94b] sind stets der Elastizitätsmodul, die Wanddicke und der Durchmesser bzw. Radius des Inliners. Bis auf die leicht abweichende Näherung von Wagner [Wagne92] lassen sich alle Ansätze bei Vernachlässigung des Querdehnungseinflusses auf die Form:

Formel 5.3.2.6.1.2.10-1: 

Zusammenfassung 'Kritischer Beuldruck'

q_R = Rohrgewicht / Längeneinheit [N/mm]
l = Länge des Rohres [mm]
μ = Reibungskoeffizient (je nach Untergrund bis 0,8) [-]
α = Neigungswinkel [°].

zurückführen und unterscheiden sich lediglich durch den Vorfaktor C und den Exponenten b (Tabelle 5.3.2.6.1.2.10-1) . Sie beziehen sich sämtlich nur auf Kreisprofile. Für Eiprofile sind FEM-Berechnungen vorzuziehen [Mielk97] .

In den Ansätzen von Lo und Zhang, Wagner und Falter findet auch die Spaltweite Berücksichtigung, wobei Lo und Zhang sich auf kleine Spaltweiten beschränken und Wagner nur den Definitionsbereich 15 < r/ω_s < 120 empirisch erfaßt. Vorverformungen werden sowohl im Ansatz Falters als auch in den Berechnungsvorschriften nach [Gaube77] [ASTMF121693] durch einen Vorfaktor berücksichtigt.

Um das Beulverhalten von Inlinern besser beschreiben und die bisherigen Berechnungsformeln des kritischen Beulwertes auch mit Langzeitwerten der Praxis belegen zu können, wurden an der Lousiana Tech University unter anderem ca. 200 Kurz- und Langzeitversuche an Inlinern durchgeführt [Guice94b] . Größere Spaltweiten wurden nicht untersucht, sondern diese während des Einbaus des Inliners auf ein Minimum begrenzt.

Im Rahmen der Versuche wurden die zum Zeitpunkt der Untersuchung auf dem nordamerikanischen Markt befindlichen Verfahren (sieben Verfahren von fünf Herstellern) getestet. Im einzelnen waren dies die Verfahren Insituform-Standard, verbessertes Insituform, NuPipe, Inliner USA, Spiniello KM-Inliner, Paltem HL und Superliner. Die Inliner wurden in Stahlrohre (= Altrohr) eingebaut, waren annähernd rund und wiesen keine sichtbaren Beschädigungen oder Imperfektionen auf.

Das eingesetzte Dichtungssystem zwischen umhüllendem Stahlrohr und Inliner ist im (Bild 5.3.2.6.1.2.10-1) dargestellt. Messungen mit verschiedenen Altrohrlängen ergaben, das bei einer minimalen Länge von 1,83 m und einem Innendurchmesser von 305 mm das Beulversagen des Inliners nicht durch die Einspannung im Stahlrohr beeinflußt wurde. Den Versuchsrohren wurde das Wasser unter einem Druck von 14 bar über einen Regler, direkt zwischen Inliner und Stahlrohr zugeführt. Das System war auf ein gleichzeitiges Versagen der Hälfte aller Versuchsrohre ausgelegt.

Bei den Kurzzeitversuchen trat der Versagensfall in den meisten Fällen 2 bis 10 Minuten nach Versuchsbeginn ein. In weiterführenden Versuchen wurde das Beulverhalten eines Inliners auch über einen längeren Zeitraum beobachtet und dabei ein über die Zeit konstanter Druck angesetzt. Der Langzeitversuch endete sobald ein Beulversagen des Inliners auftrat oder nach Ablauf von 10000 Stunden (ca. 14 Monate). Typische Beulbilder sind im (Bild 5.3.2.6.1.2.10-2) und (Bild 5.3.2.6.1.2.10-3) dargestellt. Einige Inliner versagten auch nach 10000 Stunden nicht.

Bild 5.3.2.6.1.2.10-1:  Versuchsaufbau zur Außendruckprüfung von Inlinern (Lousiana Tech University) in Anlehnung an [Guice94b] [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH] Guice94b Guice, L. K.; Straughan, T.; Norris, C. R.; Bennet, R. D.: Trenchless Technologie Center, Lousiana Tech University, Long-Term Structural Behavior of Pipeline Rehabilitation Systems. TTC Technical Report # 302, (08.94). Quelle: STEIN Ingenieure GmbH Bildmaterial und Visualisierungen: STEIN Ingenieure GmbH, Bochum. ATVA127:1997 ATV-A 127: Richtlinie für die statische Berechnung von Entwässerungs­kanälen und -leitungen (Entwurf 05.97). Falte94a Falter, B.: Praktische Vorgehensweise beim Standsicherheitsnachweis für Linersysteme in Abwasserkanälen. Tiefbau Ingenieurbau Straßenbau (TIS), (09.94). Glock77 Glock, D.: Überkritisches Verhalten eines starr ummantelten Kreisrohres bei Wasserdruck von außen und Temperaturdehnung. Der Stahlbau (07.77). Gaube77 Gaube, E.: Bemessen von Kanalrohren aus PE hart und PVC hart. Kunststoffe (1977), H. 6. ASTMF121693 ASTM F 1216-93: Rehabilitation of existing pipelines and conduits by the inversion and curing of a resin-impregnated tube (1993). Wagne92 Wagner, V.: Beulnachweis bei der Sanierung von nichtbegehbaren, undichten Abwassserkanälen mit dem Schlauchverfahren. Dissertation, Technische Universität Berlin (1992). Lo94 Lo, K. H.; Zhang, J. Q.: Collapse Resistance Modeling of Encased Pipes. Buried Plastic Pipe 2nd, 1994. Weith97 Weith, C.: Vergleichende Untersuchung zur Bemessung von mittels Relining-Verfahren sanierten Abwasserleitungen. Diplomarbeit, Arbeitsgruppe Leitungsbau und Leitungsinstandhaltung, Ruhr-Universität Bochum (1997). Falte94b Falter, B.: Standsicherheit von Linern. In: Sanierung von Abwasserkanälen durch Relining (Hrsg. Lenz. J.). Vulkan-Verlag Essen, 1994. Mielk97 Mielke, M.: Numerische Untersuchung zur Stabilitätsanalyse von Inlinern mit Kreis- und Eiprofil. Diplomarbeit. Arbeitsgruppe Leitungsbau und Leitungsinstandhaltung, Ruhr-Universität Bochum (1997). Timos61 Timoshenko, S.P; Gere, J.M.: Theory of elastic stability. 2nd ed., Mc Graw Hill, 1961. Chicu68 Chicurel, R.: Shrink buckling of thin circular rings. Journal of Applied Mechanics, ASME 35, 1968. Chene71 Cheney, J.A.: Pressure Buckling of Ring Encased in Cavity. Journal of the Engineering Mechanics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers (08.71). Guice94b Guice, L. K.; Straughan, T.; Norris, C. R.; Bennet, R. D.: Trenchless Technologie Center, Lousiana Tech University, Long-Term Structural Behavior of Pipeline Rehabilitation Systems. TTC Technical Report # 302, (08.94).

Bild 5.3.2.6.1.2.10-2:  Beulen des Inliners im Langzeitversuch [Guice94b] Guice94b Guice, L. K.; Straughan, T.; Norris, C. R.; Bennet, R. D.: Trenchless Technologie Center, Lousiana Tech University, Long-Term Structural Behavior of Pipeline Rehabilitation Systems. TTC Technical Report # 302, (08.94).

Bild 5.3.2.6.1.2.10-3:  Beulen des Inliners im Langzeitversuch (Ausschnittsvergrößerung) [Guice94b] Guice94b Guice, L. K.; Straughan, T.; Norris, C. R.; Bennet, R. D.: Trenchless Technologie Center, Lousiana Tech University, Long-Term Structural Behavior of Pipeline Rehabilitation Systems. TTC Technical Report # 302, (08.94).