S & P Consult GmbH, Bochum. Abschlussbericht Teil 1: Hauptteil. Gefördert unter dem Az: von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt.

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1 S & P Consult GmbH, Bochum Berechnungsmethode für umweltschonende Bauvorhaben zur Bestimmung der beim grabenlosen Rohrvortrieb auftretenden Führungskräfte und zusätzlichen Rohrbeanspruchungen zur langfristigen Vermeidung von Bauwerksschäden Abschlussbericht Teil 1: Hauptteil Gefördert unter dem Az: von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Dr.-Ing. Dietmar Beckmann Oktober 214

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3 1/1 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt AZ Referat 23 Fördersumme Antragstitel Stichworte Berechnungsmethode für umweltschonende Bauverfahren zur Bestimmung der beim grabenlosen Rohrvortrieb auftretenden Führungskräfte und zusätzlichen Rohrbeanspruchungen zur langfristigen Vermeidung von Bauwerksschäden Rohrvortrieb, Qualitätssicherung, Kanalisation, Zwängungskräfte; Berechnungsalgorithmus Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 18 Monate Zwischenberichte Bewilligungsempfänger S & P Consult GmbH Tel Konrad-Zuse-Str. 6 Fax 4481 Bochum Projektleitung Dr.-Ing. R. Stein Bearbeiter Dr.-Ing. D. Beckmann Kooperationspartner Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Das wesentliche Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines speziellen Berechnungsalgorithmus zu Bestimmung und Berechnung der bei jedem Rohrvortrieb unvermeidbar auftretenden Führungskräfte. Kontaktdruckspannungen zwischen dem äußeren Rohrmantel und dem umgebenden Baugrund erzeugen Beanspruchungen im Rohrbeton, deren Größe bis heute nicht berechenbar ist. Dazu soll ein spezielles Berechnungsprogramm auf der Basis der Finiten Elemente (FEM) entwickelt werden, das die Interaktion zwischen den einzelnen Rohren eines Rohrstranges untereinander und mit dem Baugrund abbildet. Dieses Programm soll die Möglichkeit bieten, einen ausreichend langen oder auch den gesamten Rohrstrang mit allen zugehörigen Rohren zu erfassen, eine Kurvengeometrie der Vortriebstrasse vorzugeben und die dabei entstehenden Rohrbeanspruchungen quer zur Rohrachse zu ermitteln. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Es wurde das folgende Arbeitsprogramm durchgeführt: Analyse der Belastungssituation beim Vortrieb / Erprobung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit von Druckübertragungsmitteln aus Holzwerkstoffen / Entwicklung eines Berechnungsalgorithmus zur Bestimmung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit in Rohrverbindungen / Entwicklung eines speziellen FEM-Programms zur Berechnung der Führungskräfte in beliebigen Vortriebssituationen /Programmierung in der MathCad-Umgebung/ Dokumentation der Forschungsergebnisse und Berichterstellung / Herleitung praxisgerechter Formeln zur Ermittlung der Größe der Führungskräfte Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau Osnabrück Tel 541/9633- Fax 541/

4 Ergebnisse und Diskussion Auf der Grundlage von Laboruntersuchungen und In-Situ-Messungen an laufenden Vortriebsmaßen wurde ein Algorithmus zur Bestimmung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit von Rohrfugen mit Spanund OSB-Platten entwickelt. Unter Anwendung der Substrukturtechnik mit Makroelementen für die Vortriebsrohre, die Rohrverbindungen (inkl. der zuvor ermittelten Quersteifigkeit) und der Bettung wurde ein spezielles numerisches Berechnungssystem auf Basis der Finiten Elemente (FEM) hergeleitet und in der MathCad-Umgebung programmiert. Die damit durchgeführte Parameterstudie führte zu der Erkenntnis, dass die Größe der Führungskräfte fast ausschließlich durch die nachfolgend genannten Parameter bestimmt wird: Größe der Vortriebskraft Rohrlänge kleinster Außendurchmesser des Rohres Differenz der Exzentrizität der Vortriebskraft an beiden Rohrenden ggf. Überschnitt (falls gesichert vorhanden) Keinen oder einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf die Führungskräfte haben die nachfolgend genannten Parameter, sofern sie in praxisgerechten Grenzen variiert werden: Holz-Werkstoff des Druckübertragungsrings Dicke des Druckübertragungsrings Steifigkeit des Baugrundes Auch die Krümmung der Vortriebstrasse wirkt sich nur in einem recht kleinen Ausmaß auf die Größe der Führungskräfte aus. Es wurde die nachfolgende Näherungsformel zur Berechnung der Führungskräfte hergeleitet. ( ) F j Ex d amin F j tan ζ ges P F := + 2 L R 2 mit P F : Führungskraft F j : Größe der Vortriebskraft (Längskraft am betrachteten Rohr) L R : Baulänge des betrachteten Rohres r amin : Kleinster Außendurchmesser des Rohres Ex: Differenz der auf den kleinsten Außendurchmesser normierten Exzentrizität der Resultierenden der Vortriebskraft an beiden Rohrenden ζges: Rechnerische Gesamtabwinklung gem. A 161, Gl. 92 Überschlägig, aber deutlich auf der sicheren Seite können die Führungskräfte mit der folgenden Formel berechnet werden: P F := F j d amin 5 L R Eine Erweiterung des Berechnungsalgorithmus auf Fugenkonstruktionen mit Elastomer-Profilen und mit fluidgefüllten Schläuchen erscheint sinnvoll und im Sinne der Stärkung des Rohrvortriebs wünschenswert. Dabei kann auf im Rahmen des nun abgeschlossenen Forschungsvorhabens entwickelte Prüfanordnungen, Berechnungsalgorithmen und Programme zurückgegriffen werden, die lediglich entsprechend den abweichenden mechanischen Eigenschaften modifiziert werden müssen. Damit wären die Führungskräfte auch bei diesen inzwischen immer häufiger eingesetzten speziellen Druckübertragungsmitten berechenbar. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Vorstellung der Forschungsergebnisse ist in Form eines Vortrages auf dem 1. Nürnberger Informations- und Erfahrungsaustausch zum Rohrvortrieb im März 215 in Nürnberg vorgesehen. Fazit Das Forschungsziel einer praxisgerechten Berechnungsmethode für Führungskräfte beim grabenlosen Bauverfahren des Rohrvortriebs wurde erreicht. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau Osnabrück Tel 541/9633- Fax 541/

5 Inhalt 1 Zusammenfassung Einleitung Mechanische Problemstellung Stand der Technik Allgemeines Literaturrecherche Normen und Regelwerke Quersteifigkeit von Rohrverbindungen Allgemeines Laborversuche zur Ermittlung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit von Druckübertragungsringen Versuchsaufbau und Prüfkonzept Ermittlung des Einflusses der Fugendichtung auf die Quersteifigkeit Allgemeines In-Situ-Messungen von Fugenspaltweiten und -versätzen in aktuellen Vortriebsstrecken Messkonzept Schlussfolgerungen und Hinweise für die statische Berechnung Entwicklung des Berechnungsalgorithmus Vorgehensweise und Grundsystem Herleitung der Finiten Elemente Rohrelement Bettungselement Dehnerelement Fugenelement für Normalfugen Funktionale Erfassung der Querschnittsgeometrie Mathematische Erfassung der Fugen-Quersteifigkeit Berechnungsablauf Allgemeines Streckengeometrie

6 7.3 Weitere Parameter des Referenzvortriebs Aufbereitung der Daten und Vorberechnungen FEM-Berechnung Variantenuntersuchung Ergebnisse des Referenzvortriebs Variante 1: Verdoppelung der Baulänge der Rohre Variation 2: Verdoppelung der Trassenradien Variation 3: Praxisnaher Vortrieb Algorithmus für die Führungskräfte Auswertung der Variantenuntersuchung Formel für Führungskräfte Fazit Literaturverzeichnis...58 Anhang 1: Anhang 2: Anhang 3: Stand der Technik Literaturrecherche und Zusammenstellung der Regelwerke inkl. Bewertung Laborversuche und In-Situ-Messungen Ermittlung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit von Druckübertragungsringen Berechnungsalgorithmus Berechnungsalgorithmus in mathematischer Notation inkl. FEM-Programm und Visualisierung für den Referenzvortrieb 3

7 Abbildungen Abbildung 2-1: Prinzipdarstellung des gesteuerten Rohrvortriebs [Stein & Partner]... 7 Abbildung 2-2: Prinzip des Langstreckenvortriebs mit Zwischenpressstationen (grün und rot)... 8 Abbildung 2-3: Druckübertragungsring aus Holz oder Holzprodukten (Spanplatten, OSB-Platten)... 9 Abbildung 2-4: Restdicke des Druckübertragungsringes (DÜR) in Abhängigkeit von der Vorbelastung bei Abwinkelung der Vortriebsrohre ( klaffende Fuge )... 9 Abbildung 3-1: Am Vortriebsrohr infolge Pressenkraft angreifende Einwirkungen...13 Abbildung 5-1: Versuchsaufbau Prinzipskizze: links Ansicht; rechts Draufsicht...18 Abbildung 5-2: Momentaufnahmen der Druckbeanspruchung zur Vorbereitung des Schub- Verzerrungsversuches: links entlastet; rechts belastet...18 Abbildung 5-3: Schub-Verzerrungs-Diagramme der mehraxialen Verformungsversuche an OSB- und Spanplatten mit unterschiedlicher Normalbeanspruchung...19 Abbildung 5-4: Ausführungsformen von Steckverbindungen: links mit Spitzend- Keilgleitdichtung; rechts mit Rollring mit symmetrischer Keilnase (Bild: Cordes GmbH)...2 Abbildung 5-5: Kraft-Verformungsdiagramm DN 16 CK 89 CX 3,4 mm...21 Abbildung 5-6: Kraftverlauf über den Rohrumfang bei verschiedenen Versätzen DN 16 CK 89 CX 3,4 mm...21 Abbildung 5-7: Rückstellkraft in Abhängigkeit des Versatzes DN 16 CK 89 CX 3,4 mm...22 Abbildung 5-8: Messung des Fugenspaltes im Scheitel...23 Abbildung 5-9: Messung des vertikalen Versatzes H_.97, Fuge Abbildung 5-1: Fugenspaltdifferenzen und Versätze H_ Station m...24 Abbildung 6-1: Definition der Koordinatensysteme: lokal (am Element) und global (links)...26 Abbildung 6-2: Rohrelement mit seiner Verknüpfung zu den Nachbarrohren und dem Baugrund...26 Abbildung 6-3: Mögliche Angriffspunkte von Führungskräften...27 Abbildung 4: Bestimmung des Verformungsfaktors κ ab nach DWA-A 161 [5]...28 Abbildung 6-5: Tangentiale Verteilung der Kontaktspannungen auf der Rohroberfläche...29 Abbildung 6-6: Spannungs-Stauchungsdiagramm des Druckübertragungsringes...31 Abbildung 6-7: Querschnittsfunktion in Abhängigkeit von der z-koordinate Für ein Rohr DN Abbildung 6-8: normierter Verzerrungsverlauf über den Durchmesser bei klaffender Fuge...34 Abbildung 6-9: Spannungsverteilung bei klaffender Fuge...35 Abbildung 6-1: Spezifischer Kraftverlauf in der Fuge...35 Abbildung 7-1: Trassierung der 18 m langen Referenzstrecke...39 Abbildung 7-2: Krümmungsband der Vortriebstrasse mit den Positionen der Rohrfugen...4 4

8 Abbildung 7-3: Verlauf der Exzentrizität der Vortriebskraft über die gesamte Vortriebslänge (unten zum Vergleich der Krümmungsverlauf)...41 Abbildung 7-4: Verlauf der Resultierenden der Längskraft...42 Abbildung 7-5: Verlauf der Differenz der Exzentrizität der Vortriebskraft an den Rohren (unten zum Vergleich der Verlauf der Krümmungsänderung)...43 Abbildung 8-1: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und zur Orientierung der Krümmungsverlauf (unten)...46 Abbildung 8-2: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb, Ausschnitt...47 Abbildung 8-3: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und bei der Variante 1 (unten)...48 Abbildung 8-4: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und bei der Variante 1 (unten), Ausschnitt...49 Abbildung 8-5: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und bei der Variante 1 (unten)...5 Abbildung 8-6: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und bei der Variante 2 (unten), Ausschnitt...51 Abbildung 8-7: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und bei der Variante 3 (unten)...52 Abbildung 8-8: Berechnete Führungskräfte beim Referenzvortrieb (oben) und bei der Variante 3 (unten), Ausschnitt

9 1 Zusammenfassung Im vorliegenden Abschlussbericht des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) unter dem Aktenzeichen AZ geförderten Forschungsvorhabens wird die Entwicklung einer Berechnungsmethode für die Ermittlung der beim Rohrvortrieb auftretenden Kontaktkräfte zwischen den Rohren und dem Baugrund (Führungskräfte) dokumentiert. Zur Bestimmung der als Eingangsparameter für den Berechnungsalgorithmus erforderlichen Steifigkeit und Tragfähigkeit der Rohrverbindungen mit Span- und OSB-Platten in Querrichtung wurden Laborversuche mit Proben von gebräuchlichen Druckübertragungsringen durchgeführt, die von In-Situ-Messungen an laufenden Vortriebsmaßnahmen unterstützt wurden. Auf der Grundlage von Laborversuchen eines Herstellers wurde darüber hinaus ein Algorithmus zur Bestimmung der Quersteifigkeit von Rohrfugen infolge der Zentrierwirkung von Dichtungen entwickelt. Die Steifigkeitsanteile aus dem Druckübertragungsring und aus der Dichtung konnten in einer Formel zusammengefasst werden, wobei während des aktiven Vortriebs die sehr hohe Steifigkeit des Druckübertragungsringes dominiert. Die anschließende Entwicklung des zentralen Berechnungsverfahrens für die Führungskräfte erfolgte unter Anwendung der Substrukturtechnik mit Makroelementen für die Vortriebsrohre, die Rohrverbindungen (inkl. der zuvor ermittelten Quersteifigkeit) und der Bettung. Dazu wurde ein spezieller numerischer Berechnungsalgorithmus auf Basis der Finiten Elemente (FEM) hergeleitet und als MathCad-Sheet programmiert und getestet. Die gewählte Programmierumgebung erlaubt die Darstellung nahezu des gesamten Berechnungsablaufs und der zugehörigen Formeln in der üblichen mathematischen Notation, so dass jeder Berechnungsschritt ohne Programmierkenntnisse nachvollzogen werden kann. Mit diesem parametrisierten Programm konnten eine Vielzahl verschiedener Parameterkonstellationen gerechnet und der Einfluss der verschiedenen Vortriebs- und Geometrieparameter auf die Größe der Führungskräfte ermittelt werden. Grundsätzlich entstehen die maßgebenden Vortriebskräfte bei Krümmungswechseln, d.h. bei planmäßigen Kurveneinfahrten und Kurvenausfahrten sowie bei Steuerbewegungen. Mit der Parametervariation gelang der Nachweis, dass bei realitätsnahen Kurvenvortrieben lediglich die maximale Vortriebskraft, der Durchmesser und die Baulänge der Rohre einen maßgebenden Einfluss auf die Führungskräfte haben. Insbesondere bei planmäßig geraden Vortriebsstrecken werden die Führungskräfte durch den Ansatz eines Überschnitts gesenkt. Andere Parameter wie die Steifigkeit des Baugrundes sowie der Werkstoff und die Dicke des Druckübertragungsringes beeinflussen die Führungskräfte nur geringfügig. Selbst der Trassenradius wirkt sich in der Praxis nur wenig aus, da die Exzentrizität der an den Rohrenden angreifenden Vortriebskraft bei kleinen Krümmungen sehr sensibel auf Änderungen der Abwinklungen reagiert, sich bei starken Krümmungen aber nur noch wenig ändert. Die programmgestützt durchgeführte Parameterstudie und weitere statische Untersuchungen erlaubten die Herleitung einer geschlossenen Formel zur Berechnung der Führungskräfte, die in ein entsprechendes Statikprogramm integriert werden kann. Darüber hinaus erlaubt eine stark vereinfachte Näherungsformel eine Abschätzung der Vortriebskräfte auf der sicheren Seite. 6

10 2 Einleitung Die Verlegung von Ver- und Entsorgungsleitungen erfolgt heute noch immer überwiegend in offener Bauweise durch Ausheben eines Grabens, Verlegen der Leitung im Schutze einer Böschung oder eines Verbaus und anschließendes Verfüllen des Grabens. Angesichts der damit verbundenen umfangreichen Einschränkungen der Oberflächennutzung bzw. des Oberflächenverkehrs (Umleitungen, Sperrungen), der Schädigung des Einzelhandels (Zugänglichkeit der Geschäfte) sowie der Reduzierung der Wohnqualität durch Lärm, Staub und Erschütterungen ist es zwingend erforderlich, in Zukunft viel stärker als bisher den grabenlosen Leitungsbau und hier insbesondere den Rohrvortrieb als Alternative bei der Planung und Bauausführung von Leitungen zu berücksichtigen. Abbildung 2-1: Prinzipdarstellung des gesteuerten Rohrvortriebs [Stein & Partner] Der Vortrieb der vorgefertigten Rohre erfolgt dabei von einem Startschacht aus mit Hilfe einer Hauptpressstation durch den Baugrund bis in einen Zielschacht. Der anstehende Boden oder Fels wird an der Ortsbrust mechanisch abgebaut und durch den vorgetriebenen Rohrstrang nach über Tage abgefördert. Eine steuerbare Vortriebsmaschine, die dem ersten Rohr vorgeschaltet ist, ermöglicht den genauen Vortrieb in gerader oder gekrümmter Linienführung (s. Abbildung 2-1). Dieses umweltschonende Bauverfahren für Rohrleitungen gehört inzwischen zu den Standardverfahren des Kanalbaus und gewinnt derzeit dank modernster Überwachungs- und Steuerungsmethoden zunehmend an Bedeutung. Im Sinne eines wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Vortriebs wird generell das Erreichen einer großen Vortriebslänge von einem Startschacht aus angestrebt, da insbesondere die Herstellung von Schachtbauwerken einen erheblichen Kostenfaktor bei der Verlegung 7

11 von Leitungen darstellt. Derzeit werden bereits Vortriebslängen von mehr als 12 m realisiert, zwei Kilometer mit zwangsläufig zunehmenden Kurvenstrecken werden für die nahe Zukunft angestrebt. Abbildung 2-2: Prinzip des Langstreckenvortriebs mit Zwischenpressstationen (grün und rot) Um die mit der Vortriebslänge insbesondere durch die Mantelreibung zwischen den Rohren und dem Baugrund zunehmenden Vortriebswiderstände überwinden zu können, werden (meist ca. alle 1 m) Zwischenpressstationen in den Rohrstrang integriert, die bei Bedarf aktiviert werden können. Sie sorgen dafür, dass die gesamte Vortriebsstrecke in Teilabschnitte unterteilt wird, die einzeln nacheinander von den Zwischenpressstationen (ZPS) weitergeschoben werden. Bei einem üblichen zyklischen Bewegungsablauf wird zunächst die erste Zwischenpressstation ausgefahren, wobei die Votriebsmaschine und die ersten Rohre um den Zylinderhub (meist ca. 6 cm) der ersten ZPS weitergeschoben werden. Im zweiten Schritt fährt die zweite ZPS aus und schiebt die vor ihr liegenden Rohre weiter, wobei die erste ZPS wieder zusammengeschoben wird. Dieses Verfahren wird bei allen folgenden ZPS nacheinander fortgesetzt bis die Hauptpressstation im Startschacht die zuletzt eingebauten Rohre weitergeschoben und die letzte ZPS zusammengeschoben hat. Der Rohrvortrieb ist das umweltfreundlichste Verfahren zur Verlegung von Rohren und bietet folgende Vorteile: Geringer Oberflächenbedarf örtlich und zeitlich begrenzt auf die Start- und Zielschächte (jeweils nur wenige Monate) Geringe Störung der Anwohner sowie des ruhenden und fließenden Verkehrs Vermeidung von Schäden an angrenzenden Bauwerken, Bäumen, Bewuchs und Leitungen In nahezu jeder Tiefenlage, Geologie und Hydrogeologie einsetzbar Keine Grundwasserabsenkung während der Bauzeit erforderlich Kurvenfahrten und Langstreckenvortriebe sind möglich Hohe Zielgenauigkeit durch präzise, computergestützte Steuerungssysteme Kostengünstig mit hoher Vortriebsgeschwindigkeit (5 m pro Woche und Vortriebsmaschine). Der grabenlose Leitungsbau hat durch nationale und internationale Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie stetige Optimierung der Maschinen- und Verfahrenstechniken ein sehr hohes technisches Niveau erreicht, welches es ermöglicht, praktisch alle Arten von Verund Entsorgungsleitungen bis zu einem Durchmesser von ca. 4 Meter unabhängig von den geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen umweltfreundlich in geschlossener Bauweise, d.h. unterirdisch, zu verlegen [1]. 8

12 Abbildung 2-3: Druckübertragungsring aus Holz oder Holzprodukten (Spanplatten, OSB-Platten) Ein maßgebliches Problem bei der Übertragung der Vortriebskräfte von Rohr zu Rohr besteht darin, dass sich bei Kurvenfahrten und Steuerbewegungen der Rohrstrang nicht kontinuierlich krümmt, sondern das recht steife Rohr weitgehend gerade bleibt und in den Rohrverbindungen Abwinkelungen entstehen. Dabei kann sich eine sogenannte klaffende Fuge ausbilden, wodurch sich die Druckübertragungsfläche verkleinert und die Kontaktdruckspannungen zwangsläufig ansteigen [2][4][5]. Abbildung 2-4: Restdicke des Druckübertragungsringes (DÜR) in Abhängigkeit von der Vorbelastung bei Abwinkelung der Vortriebsrohre ( klaffende Fuge ) Die direkte Kraftübertragung von Rohr zu Rohr ist bei den verschiedenen Druckübertragungsringtypen (Holz, Spanplatten, hydraulische Schläuche) selbst für komplizierte Kurvengeometrien unter intensiver Mitarbeit von S&P bereits eingehend erforscht. Entsprechende Berechnungsmethoden sind entwickelt und in vereinfachter Form in die neuesten Fassungen der Regelwerke eingeflossen. Auch das umfassende statische Kontrollsystem CoJack, das 9

13 zumindest für anspruchsvolle Vortriebsmaßnahmen zum Standard gehört, ist von S&P auf dieser Basis entwickelt worden. Noch weitgehend unerforscht sind die zusätzlichen, quer zur Rohrachse auftretenden Kontaktkräfte zwischen Rohr und Baugrund, die nicht durch den aktiven Erddruck, sondern als Folge der aufgebrachten Vortriebskraft auftreten. Diese Kräfte werden als Zwängungs- oder zutreffender als Führungskräfte bezeichnet. Mangels genauerer Erkenntnisse werden die daraus resultierenden Rohrbeanspruchen in den Regelwerken zur statischen Berechnung von Rohrvortrieben nur sehr grob und pauschal berücksichtigt. Bei der Erstellung des ATV- Arbeitsblattes A 161 (Statische Berechnung von Vortriebsrohren) im Jahre 199 [3] hatte sich die damalige Arbeitsgruppe trotz der bereits veröffentlichten Zwängungstheorie von Scherle dazu entschieden, die zu dieser Zeit noch als Zwängungskräfte bezeichneten Führungskräfte lediglich mit Mindestschnittkräften zu berücksichtigen. Auch die Neufassung dieses Regelwerkes, das DWA-Arbeitsblatt A 161 vom März 214 [5] enthält weiterhin diese Mindestschnittkräfte, die lediglich an das neu eingeführte Teilsicherheitskonzept angepasst sind. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Methode zur Berechnung dieser Führungskräfte in Abhängigkeit der noch zu bestimmenden maßgebenden Parameter. Damit sollen insbesondere zwei entscheidende Verbesserungen zur Erhöhung der Sicherheit langer und/oder kurvenreicher Vortriebsstrecken erreicht werden: Erhöhung der Genauigkeit der statischen Berechnung und damit der Vorhersagbarkeit der tatsächlichen Beanspruchung der Vortriebsrohre. Definition von Vorgaben für die Planung und Ausführung von Rohrvortrieben hinsichtlich der Trassierung (z.b. minimale Länge von Übergangsbögen) Mit der dadurch ermöglichten wirtschaftlicheren Bemessung der Rohre sinken die Kosten für den Rohrvortrieb, so dass eine Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der deutlich umweltfreundlicheren grabenlosen Bauverfahren für Rohrleitungen zu erwarten ist. 1

14 3 Mechanische Problemstellung Unabhängig von der Art des Druckübertagungsmittels entstehen bei gewollten oder ungewollten Kurvenfahrten Abwinklungen zwischen den einzelnen Rohren. Dadurch verteilt sich die Übertragung der Vortriebskraft nicht mehr gleichmäßig über den Umfang, sondern es entsteht eine über den Durchmesser lineare, bei Druckübertragungsringen aus Holz oder Holzwerkstoffen sogar quadratische Spannungsverteilung. In jedem Fall liegt die Resultierende der Vortriebskraft nicht mehr auf der Rohrachse, sondern um das Exzentrizitätsmaß e versetzt daneben. Diese Spannungsverteilung lässt sich in Abhängigkeit der maßgebenden Einflussfaktoren, insbesondere den Abmessungen des Drückübertragungsringes, des Werkstoffes des Druckübertragungsringes, der aktuellen Vortriebskraft, der Längsdrucksteifigkeit des Rohres, der Rohrlänge und der Belastungsgeschichte des Druckübertragungsringes (Vorbelastung) gemäß den Algorithmen des DWA-Arbeitsblattes A 161 näherungsweise, beim Einsatz von CoJack [12] sogar mit einer hohen Genauigkeit bestimmen. CoJack ist ein von der S&P Consult GmbH entwickeltes Kontrollsystem zur statischen Begleitung von Rohrvortrieben mit einem integrierten Fugenmesssystem. Die mit CoJack begleiteten Vortriebe können in Echtzeit im Internet unter [33] beobachtet werden Das Phänomen der exzentrischen Vortriebskrafteinleitung in das Rohr tritt an beiden Rohrenden auf. Sind die Exzentrizitäten an beiden Rohrenden identisch (z.b. in einer konstanten Krümmung des Rohrstranges), wird die Vortriebskraft ggf. unter Verkrümmung der Rohrachse problemlos weitergeleitet. Sind die Exzentrizitäten an beiden Rohrenden aber unterschiedlich (z.b. bei einer Kurveneinfahrt), haben die beiden senkrecht auf den Rohrenden stehenden, weitgehend gleich großen Kräfte unterschiedliche Wirkungslinien, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. In Wirklichkeit dreht sich das Rohr aber nicht nennenswert, da sofort Kräftepaare aktiviert werden, die das entsprechende Gegenmoment erzeugen. Die besondere Problematik besteht darin, dass dabei nicht ein dominierendes und damit maßgebendes und leicht berechenbares Kräftepaar entsteht, sondern sich die folgenden drei Effekte überlagern: 1. Effekt: Verschiebung der Exzentrizität bei Verdrehung des Rohres Die Verdrehung des Rohres bewirkt eine Veränderung (in der Regel eine Verkleinerung) der Abwinkelung in den beiden Fugen zu den beiden Nachbarrohren, wobei natürlich deren Bewegungen ihrerseits zu berücksichtigen sind. Eine Veränderung der Abwinkelung bewirkt eine Verschiebung der Resultierenden und damit eine Veränderung, in der Regel Verringerung des Drehmomentes. 11

15 2. Effekt: Querkraftkopplung zum Nachbarrohr Die Verdrehung des Rohres bewirkt eine Verschiebung der Rohrenden senkrecht zur Rohrachse und damit eine Querverschiebung in den beiden Fugen zu den Nachbarrohren. Dadurch werden Kopplungskräfte in den Fugen aktiviert, die sich aus den folgenden drei Kraftarten zusammensetzen: a. Reibungskräfte im Kontaktbereich zwischen Druckübertragungsmittel und Rohrspiegel b. Ungleichförmige Ringdruckkräfte durch die Veränderung der Kompression der Dichtung c. Kontaktkräfte zwischen Dichtungsschulter und Führungsring nach vollständiger Kompression der Dichtung Bei kleinen gegenseitigen Querverschiebungen zwischen den Rohrenden werden zunächst nur die Reibungskräfte und die Ringdruckkräfte (a und b) aktiviert, deren jeweiliger Kraftanteil von den Steifigkeiten, d.h. von der Art und den Abmessungen des Druckübertragungsringes sowie von der Art der Dichtung abhängt. Bei großen Querverschiebungen tritt je nach der Geometrie der Fügungskonstruktion direkter starrer Kontakt zwischen den Rohrenden auf, der zu einer starren Kopplung führt. Zu beachten ist darüber hinaus bei der Ermittlung der Querkräfte in den Fugen, dass bei einer Abwinkelung die Vortriebskraft aus dem Nachbarrohr nicht parallel zur Rohrachse, sondern um die Abwinkelung verdreht eingeleitet wird. Alle auftretenden Kontaktkräfte sind sehr stark von den Bewegungen der Nachbarrohre beeinflusst, wobei auch umgekehrt die Kontaktkräfte die Bewegungen des Nachbarrohres beeinflussen. 3. Effekt: Kontakt zwischen Rohr und Baugrund Nach Überwindung des Überschnitts (Ringspalt zwischen Rohr und Baugrund) tritt das Rohr bei einer Verdrehung an zwei diagonal gegenüber liegenden Punkten an den Rohrenden in Kontakt mit dem Baugrund. Je nach der Größe dieses dabei entstehenden Kräftepaares und der Steifigkeit des Baugrundes ergibt sich ein Kontaktbereich mit axialer und tangentialer Ausbreitung. Die Abbildung 3-1 zeigt die Einwirkungen auf das Vortriebsrohr, die lediglich durch die Aufbringung der Vortriebskraft entstehen. Einwirkungen aus Eigengewicht, Erdlast und Verkehr sind dabei nicht berücksichtigt. Die Einwirkungen sind darin wie folgt bezeichnet (die Indizes 1 und 2 bezeichnen das Rohrende): V x : Längskraft (Vortriebskraft), Anteil parallel zur Rohrachse V y : Längskraft (Vortriebskraft), Anteil senkrecht zur Rohrachse Q y : Querkraft in der Fuge, senkrecht zur Rohrachse p F : Kontaktdruckkraft zwischen Rohr und Baugrund, quer zur Rohrachse 12

16 Abbildung 3-1: Am Vortriebsrohr infolge Pressenkraft angreifende Einwirkungen Die aus p F resultierenden Kräfte werden als Führungskräfte bezeichnet und belasten das Rohr bereichsweise in radialer Richtung. Dadurch entstehen in der Rohrwandung Biegemomente und Normalkräfte, die mit den Schnittkräften aus den übrigen Einwirkungen (Eigengewicht, Erdlast und Verkehr) zu überlagern und damit bemessungsentscheidend sind. Alle drei Effekte entstehen durch die Verdrehung des Rohres infolge des eingeleiteten Momentes. Im Gegensatz zum dritten Effekt sind die beiden ersten Effekte darüber hinaus noch von den Bewegungen der beiden Nachbarrohre abhängig, die ihrerseits von den Bewegungen ihrer Nachbarrohre abhängig sind, so dass alle Rohre eines Rohrstranges miteinander in einer mit dem gegenseitigen Abstand abnehmender Interaktionsbeziehung stehen. Die aus den drei beschriebenen Effekten resultierenden Kräfte teilen sich die Aufgabe, das Rohr bezüglich seiner Verdrehung infolge exzentrisch angreifender Vortriebskraft zu lagern. Die Quotelung, d.h. welchen Anteil jeder Effekt an der Gesamtlagerung hat, hängt entscheidend von den Steifigkeitsverhältnissen (Quersteifigkeit Rohrfuge und Steifigkeit des Baugrundes) und den Nachbarrohrbewegungen ab. Dadurch entsteht ein sehr komplexes System, dass sich nur mit numerischen Verfahren unter Einbeziehung des gesamten Rohrstranges lösen lässt. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Bemessung von Vortriebsrohren aus Stahlbeton mit Kreisquerschnitten und druckkraftschlüssigen Rohrverbindungen unter Anwendung von Druckübertragungsmittel aus Holz bzw. Holzwerkstoffen, die im Lockergestein mittels statischer Kraft eingebaut werden. Im Vordergrund steht die Bemessung für den Bauzustand. 13

17 4 Stand der Technik 4.1 Allgemeines Aufgrund der sehr speziellen, ausschließlich im Rohrvortrieb entstehenden Fragestellung ist die Anzahl der Veröffentlichungen speziell zu diesem Thema sehr gering. Darüber hinaus musste bei der Recherche festgestellt werden, dass die in den jeweiligen Untersuchungen hergeleiteten Algorithmen sehr unterschiedliche und in keinem Fall befriedigende Ergebnisse geliefert haben. Im Anhang A wird das vollständige Ergebnis der umfangreichen Literaturrecherche dargestellt und die Berücksichtigung der Problematik in den Regelwerken und Berechnungsvorschriften erläutert. 4.2 Literaturrecherche Nachfolgend werden die Ergebnisse aller bisher veröffentlichten Arbeiten zusammengefasst, die (zumindest im weiteren Sinne) die Problematik der Führungskräfte behandeln. Eine umfassende Dokumentation der Literaturrecherche ist als Anhang 1 beigefügt. Erstmals intensiv auseinander gesetzt mit der Problematik der Kontaktkräfte zwischen Rohr und Baugrund hat sich Scherle [17], wobei er aber die zusätzlichen durch das Vorpressen entstehenden Beanspruchungen in seiner Zwängungstheorie als Zwängungskräfte bezeichnet. Er geht im Lastfall einer Kurvenfahrt durch die Kontaktspannungen an der Rohraußenseite davon aus, dass die in der Kurve befindlichen Rohre durch die Vorpresskraft gleichmäßig an die Außenwand des Ausbruchraumes gedrückt werden. Seine Bemessung basiert auf Gleichgewichtsbedingungen am Einzelrohr. In der Praxis führen die Bemessungen nach Scherle zu extrem hoch bewehrten Rohren bzw. sie sie lassen bei üblicher Dimensionierung nur geringe Vorpresskräfte zu [14]. Averesch entwickelte erstmals einen Standardversuch, um die Materialeigenschaften von Fugenzwischenlagen unter vortriebsnahen Randbedingungen zu ermitteln [2]. Buchhardt greift in seiner Dissertation Scherles Ansätze auf und verbessert diese [21]. Wichtigste Erkenntnis hierbei ist, dass der Spannungs-Dehnungverlauf nicht nur wie bis dato angenommen linear verläuft, sondern abhängig von der Dicke und der Feuchte der Fugenzwischenlage sowie von den Abmessungen und dem Material des Rohres einen näherungsweise auch parabelförmigen oder sogar kubischen Verlauf annehmen kann. Hieraus entwickelt Buchhardt sog. Bemessungsnomogramme für die verschiedenen Verläufe. Wie auch Scherle geht Buchhardt davon aus, dass sich die Vortriebsrohre beim Durchfahren einer Kurve gleichmäßig an die Außenwand drücken. Buchhardt berücksichtigt die Führungskräfte, indem er sie mit in der Rohrfuge vorherrschenden Querkräften überlagert und mathematisch auf dem Rohrspiegel verteilt [15]. In seiner Dissertation untersucht Trümpi u.a die seitlichen Bettungsreaktionen, die bei Kurvenfahrten oder Steuerbewegungen hervorgerufen werden, durch ein Fugenverdrehen aufgrund der Steifigkeitsunterschiede von Rohr und Druckübertragungsmittel infolge der exzentrisch aufgebrachten Längslast. 14

18 Mit Hilfe seiner Untersuchungen ermittelt er, dass die Quantität der seitlichen Bettungskräfte maßgeblich beeinflusst wird durch die Exzentrizität der aufgebrachten Vortriebskraft. Zudem stellt er fest, dass bei offenem Ringspalt die Bettungsverhältnisse Einfluss auf die Höhe der Traglast haben, jedoch nicht auf die relativen Verschiebungen des Rohres [25]. Im Rahmen des Forschungsprojekts Qualitätssicherung von Vortriebsrohren aus Stahlbeton wurde vom IKT ein Großversuchsstand mit integriertem Vortriebssimulator errichtet, wobei auch das Tragverhalten einer Rohrkette (bestehend aus fünf Rohren bzw. vier Rohrverbindungen) untersucht wurde. Damit konnten zum ersten Mal Rückschlüsse auf den Einfluss der Nachbarrohre auf ein betrachtetes Rohr gezogen werden. Des Weiteren konnten mit Hilfe des Vortriebssimulators die Auswirkungen von Bettungsreaktionen und der Krümmung des Rohrstranges untersucht werden. Bohle erprobte die Tauglichkeit von Druckübertragungsmittel aus Kunststoff. Neben Laborversuchen und FE-Simulation, untersuchte er das Verhalten von Rohrfugen mit Druckübertragungsmitteln sowohl aus Kunststoff als auch aus Spanplatten in einem Großversuchsstand am Institut für Baumaschinen und Baubetrieb der RWTH Aachen (ibb). Stolz beanstandet bisherige Untersuchungen hinsichtlich der Vernachlässigung des Bodeneinflusses bzw. nicht verifizierter Annahmen bezüglich der Aufnahmefähigkeit von Bettungsspannungen durch den Boden bei gekrümmtem Vortrieb. Durch Modellversuche und numerische Simulationen leitet er maßgebliche Parameter der Bettungsspannungen ab, um diese bei der Bemessung von Stahlbetonrohren berücksichtigen zu können [14]. 4.3 Normen und Regelwerke Die Statische Berechnung von Vortriebsrohren regeln das seit März 214 gültige DWA- Arbeitsblatt A 161 [5] sowie indirekt das DWA-Arbeitsblatt A 125, welches den Rohrvortrieb in bauverfahrenstechnischer Hinsicht behandelt. Das Arbeitsblatt DWA-A 125 [4] definiert u.a. Anforderungen an Konstruktion der Vortriebsrohre und der Rohrverbindungen sowie Toleranzen für die Durchführung des Vortriebs. Ohne auf die statische Berechnung und auf die Beanspruchung der Rohre direkt einzugehen, werden im A 125 Grenzwerte festgeschrieben, die die Rohrbeanspruchung beeinflussen. Hinsichtlich der Führungskräfte relevant sind dabei insbesondere die maximal zulässigen Abwinkelungen, die unabhängig von Vortriebskraft und Druckübertragungsmittel nennweitenabhängig frestgelegt werden. Hinsichtlich der Bemessung von Vortriebsrohren und deren Rohrverbindungen, bzw. der Berechnung der zulässigen Vortriebskraft, wird im DWA-A 125 auf das Arbeitsblatt ATV- A 161 [3] verwiesen, das inzwischen durch das DWA-A 161 [5] ersetzt wurde. Die darin geregelte statische Bemessung der Vortriebsrohre quer zur Rohrachse erfolgt sowohl für den Bau- als auch für den Betriebszustand, wobei in der Regel die Erd- und Verkehrslasten die dominierenden Einwirkungen darstellen. Häufig maßgebend für die Bemessung der Ringbewehrung sind aber die Mindestschnittkräfte, die bereits gemäß dem ATV-Arbeitsblatt A 161 von 199 zu berücksichtigen waren, um die Zwängungs- bzw. Führungskräfte abzudecken. Die dort angegebenen Werte waren lediglich grobe Schätzungen und basierten auf einem imaginären Standard -Vortrieb unter folgenden Randbedingungen: Vertikale Erdlasten entsprechend einer 1 m hohen Erdüberdeckung, planmäßig gerader Vortrieb, keine klaffende Fuge, sorgfältige Steuerung. 15

19 In der Neufassung des Regelwerks (DWA-A 161 vom März 214 [5]) hat sich daran im Prinzip nichts geändert. Es wurde lediglich die Bezeichnung dieser unbekannten Kräfte korrigiert; statt Zwängungskräfte wird nun der zutreffendere Begriff Führungskräfte verwendet. Die anzusetzenden Mindestschnittkräfte blieben für gerade Vortriebsstrecken unverändert und wurden betragsmäßig lediglich an das neue Sicherheitskonzept angepasst, d.h. mit dem Faktor 1,5 multipliziert. Tabelle 4-1: Mindestschnittkräfte zur Bemessung von Vortriebsrohren in Querrichtung nach DWA-A 161 [5] M M ä M N N ä N 45 r 45 r 45 r 135 r 27 r 135 r Für Kurvenvortriebe wird ein vom Maß der Fugenklaffung abhängiger Vergrößerungsfaktor angegeben, der zwischen 1, (keine Klaffung) und 1,5 (extreme Klaffung) liegt: mit: 1+,5 z! d #,$ % 1 ' ( ) *,+,- [-] Fugenklaffungsmaß 16

20 5 Quersteifigkeit von Rohrverbindungen 5.1 Allgemeines Ein wichtiger Einflussparameter zur Bestimmung der Einwirkungen auf das Vortriebsrohr sind die Steifigkeit und Festigkeit der Rohrverbindungen in Längsrichtung. Für die realitätsnahe rechnerische Bestimmung der Querverschiebung zwischen den Rohren, d.h. für die Entstehung von Versätzen in den Fugen, sind die entsprechenden Werte in Querrichtung maßgebend. Die Quersteifigkeit hat dieselbe Wirkungsrichtung wie die an den Rohrenden wirkenden Führungskräfte, so dass die Querlagerung des Einzelrohres sich aus der Querkraft in der Fuge und den Kontaktkräften zum Baugrund zusammensetzt. Welchen Anteil die jeweilige Lagerung hat, hängt u.a. von der Steifigkeit und Festigkeit der Rohrverbindungen in Querrichtung ab. Wesentliche Einflussfaktoren für das Tragverhalten der Rohrverbindungen sind die Steifigkeit und Festigkeit des Druckübertragungsmittels in Querrichtung und die Drucksteifigkeit der ringförmigen Dichtungen in der Dichtungskammer. Aus diesem Grunde wurde das folgende Versuchsprogramm durchgeführt: 1. Ermittlung der Quersteifigkeit von verschiedenen Druckübertragungsringen aus Span- und OSB-Platten unter Variation der Normalkraft anhand von kleinen Probekörpern. 2. Ermittlung der Steifigkeit von verschiedenen Ringdichtungen anhand von Dichtungsabschnitten 5.2 Laborversuche zur Ermittlung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit von Druckübertragungsringen Versuchsaufbau und Prüfkonzept Die Laborversuche zur Ermittlung der Quersteifigkeit und der Quertragfähigkeit von Druckübertragungsmitteln wurden im IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur ggmbh in Gelsenkirchen (IKT) durchgeführt. Der Versuchsaufbau, die Durchführung und die detaillierten Ergebnisse sind im Anhang 2 ausführlich dargestellt Als Prüfkörper wurden gebräuchliche Druckübertragungsmittel aus den in der Tabelle 2 genannten Holzwerkstoffen untersucht. Tabelle 2: Typ und Dicken der Prüfkörper OSB-Platte Typ 3 Spanplatte Typ V 1 15 mm 13 mm 25 mm 19 mm 3 mm 25 mm 17

21 Die die auf den Prüfkörper einwirkenden Kräfte zeigt die Abbildung 5-1. Unter Variation der zyklisch aufgebrachten Normalkraft (P = 1, 45 oder 8 N/mm²) zur Simulation der Längsdruckspannungen im Rohrstrang wurde die Abhängigkeit der Querverformung von der Querkraft Q gemessen. Abbildung 5-1: Versuchsaufbau Prinzipskizze: links Ansicht; rechts Draufsicht Abbildung 5-2: Momentaufnahmen der Druckbeanspruchung zur Vorbereitung des Schub- Verzerrungsversuches: links entlastet; rechts belastet Die resultierende Schubspannung T berechnet sich aus der eingeleiteten Kraft Q und den Kontaktflächen A1 und A2 der Prüfkörper. Die Verzerrung γ beschreibt das Verhältnis der Plattenauslenkung s zur Ausgangsdicke t der Prüfkörper. Τ / / 4 5 Die Abbildung 5-3 zeigt die Ergebnisse der Querverformungsversuche unterteilt nach Werkstoff und aufgebrachter Normalspannung. Die Graphen bilden den Schub-Verzerrungsverlauf der Prüfkörper unterschiedlicher Dicken über die Schubspannung bei konstanter Normalspannung ab. 18

22 Abbildung 5-3: Schub-Verzerrungs-Diagramme der mehraxialen Verformungsversuche an OSBund Spanplatten mit unterschiedlicher Normalbeanspruchung Die Diagramme oben zeigen die Schub-Verzerrungsverläufe bei Erst- und Wiederbelastung der OSB-Platten-Prüfkörper mit den Dicken 15 mm, 25 mm und 3 mm bei einer Normalspannung von 45 N/mm² (links) und 8 N/mm² rechts. Die beiden unteren Diagramme zeigen dieselben Auswertungen für die Spanplatten. Aus den Kurven lässt sich in Abhängigkeit von der Normalspannung und der Dicke der Schubmodul G ermitteln, der allerdings so extrem groß, so dass davon auszugehen ist, dass in der Praxis keine statisch relevanten Schubverformungen auftreten. Die Schubmodule für die verschiedenen Werkstoffe, Abmessungen und Belastungssituationen sind im Anhang 2 zusammengestellt 5.3 Ermittlung des Einflusses der Fugendichtung auf die Quersteifigkeit 5.4 Allgemeines Als Fugendichtung werden Dichtringe aus Elastomeren eingesetzt. Sie besitzen die Eigenschaften sich auf Druck und Zug elastisch verformen zu können und sich anschließend wieder in ihre Ausgangsform zurück zu verformen. 19

23 Abbildung 5-4: Ausführungsformen von Steckverbindungen: links mit Spitzend- Keilgleitdichtung; rechts mit Rollring mit symmetrischer Keilnase (Bild: Cordes GmbH) In Abbildung 5-4 sind zwei mögliche Ausführungsformen von Steckverbindungen dargestellt. Die im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens durchgeführten Versuche erfolgten mit den in der Tabelle 5-3 zusammengestellten Dichtungen, die alle ein zur Abbildung 5-5 analoge, nicht lineare Kennlinie für das Kraft-Verformungsverhalten besitzen. Tabelle 5-3: Kennwerte der untersuchten Dichtungen Bezeichnung Höhe bzw. Durchmesser [mm] Nennweite [DN] Ausführung Gleitkeildichtung CK 89 CX 3, Gleitkeildichtung CK 89 4 IRDH Gleitkeildichtung CK 89 CX 4/6 IRDH Gleitkeildichtung CK Z SBR 4 IRDH 3 28 Rollringdichtung BK-B IRDH [s. Abbildung 5-4] 3 28 Der Verlauf der Komprimierung der Dichtung über den Rohrumfang lässt sich mit folgenden Formeln bestimmen: 2

24 6 78 9:,; < = / 6 > + ; < cos9:= B 78 9:,; < = / 6 C :,; < = 6 C mit: : [ ] Umfangwinkel ; < [mm] Versatz B 78 9:,; < = [-] Deformation bei Versatz der Rohre 6 C [mm] Höhe der Dichtung im eingebauten Zustand 6 > [mm] Höhe der Dichtung im Ausgangszustand :,; < = [mm] Höhe der eingebauten Dichtung bei Versatz In Abhängigkeit von der Größe des Versatzes ergeben sich somit über den Rohrumfang die in der Abbildung 5-6 dargestellten spezifischen Radialkräfte. Abbildung 5-5: Kraft-Verformungsdiagramm DN 16 CK 89 CX 3,4 mm Abbildung 5-6: Kraftverlauf über den Rohrumfang bei verschiedenen Versätzen DN 16 CK 89 CX 3,4 mm 21

25 Die zugehörigen Rückstellkräfte erhält man über die das Ringintegral: mit: GHI D E 9; < = / F D 78 9:,; < = K LM I 2 cos9:=k: ( 1 ) D E 9; < = [KN] Rückstellkraft der Dichtung ; < [mm] Versatz : [ ] Umfangwinkel D 78 9:,; < = [N/mm] Veränderte Anpresskraft der Dichtung K LM [mm] Nennmaß des Durchmessers des Spitzendes Abbildung 5-7: Rückstellkraft in Abhängigkeit des Versatzes DN 16 CK 89 CX 3,4 mm Tabelle 5-4: Rückstellsteifigkeiten der untersuchten Rohrdichtungen Dichtung Höhe [mm] Nennweite [DN] Rückstellsteifigkeit C D [kn/mm] CK 89 CX 3,4 16 4,59 CK 89 CX 3, ,83 CK 89 CX 3, ,4 CK 89 CX 3, ,17 CK 89 CX 3, ,98 CK 89 4 IRDH 3, 28 44,3 CK 89 CX 4/6 IRDH 3, 28 69,47 CK Z SBR 4 IRDH 3, 28 61,47 BK-B IRDH 3, 28 36,34 22

26 Wie die Abbildung 5-7 zeigt, besteht ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen Versatz und Rückstellkraft, so dass die Dichtungen statisch als lineare Feder erfasst werden können. Die Rückstellsteifigkeiten bzw. Federkonstanten sind in der Tabelle 5-4 zusammengestellt. 5.5 In-Situ-Messungen von Fugenspaltweiten und -versätzen in aktuellen Vortriebsstrecken Messkonzept An zwei Vortriebsstrecken des aktuell laufenden Bauprojektes Abwasserkanal Emscher wurde eine systematische Messung der Fugenspaltweiten im Scheitel und in den beiden Kämpfern (Abbildung 5-8) sowie eine Erfassung der entstandenen Fugenversätze (Abbildung 5-9) durchgeführt. Abbildung 5-8: Messung des Fugenspaltes im Scheitel Abbildung 5-9: Messung des vertikalen Versatzes H_.97, Fuge In der Abbildung 5-1 sind die aufbereiteten Messergebnisse beispielhaft für einen Vortriebsteilabschnitt dargestellt. Das obere Diagramm zeigt die Fugenspaltdifferenzen aus Scheitel und Sohle und die vertikalen Versätze. Analog dazu sind im unteren Diagramm die Fugenspaltdifferenzen zwischen den Kämpfern den horizontalen Versätzen gegenübergestellt. Aus den 23

27 Graphen zeigt sich, dass es keinerlei Zusammenhänge zwischen den Abwinkelungen der Rohre und den dort entstehenden Versätzen gibt. Dies hat sich auf allen Messabschnitten bestätigt. Eine detaillierte Auswertung der In-Situ-Messungen ist im Anhang 2 zusammengestellt. Abbildung 5-1: Fugenspaltdifferenzen und Versätze H_ Station m 5.6 Schlussfolgerungen und Hinweise für die statische Berechnung Die Quersteifigkeit von Rohrverbindungen setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, die in ihrer Summe die Gesamtsteifigkeit ergeben. Die durchgeführten Versuche zur Ermittlung der Quersteifigkeit und Quertragfähigkeit an Prüfkörpern aus verschiedenen Werkstoffen unterschiedlicher Dicke und unter variierten Beanspruchungen haben gezeigt, dass der Druckübertragungsring beim Vortrieb einen wesentlich höheren Steifigkeitsanteil als der Dichtring liefert. Dabei liegt die Steifigkeit auf einem so hohen Niveau (> 1 MN/mm), dass in der Praxis mit einer unendlich großen Schubsteifigkeit gerechnet werden kann. Hinsichtlich der Quertragfähigkeit lassen sich aus den Versuchen keine Werte quantifizieren, da kein Prüfkörper versagt hat. Aufgrund der hohen Prüfdruckbeanspruchungen lässt sich jedoch schließen, dass die Tragfähigkeit von Druckübertragungsmitteln aus den untersuchten Werkstoffen weit über dem für den Vortrieb relevanten Bereich liegt. Bei der Auswertung der recht umfangreichen Untersuchungen der Rohrversätze in den Fugen konnte keinerlei Zusammenhang zu den jeweiligen Vortriebsparametern oder zu anderen Messwerten hergestellt werden. Aus dieser Tatsache muss der Schluss gezogen werden, dass die Versätze zumindest nicht unmittelbar durch Fugenspalte, Abwinklungen oder Vortriebskräfte verursacht werden. 24

28 6 Entwicklung des Berechnungsalgorithmus 6.1 Vorgehensweise und Grundsystem Eine grundsätzlich zielführende Methode zur Ermittlung der Führungskräfte beim Rohrvortrieb auf Basis der in den vorangegangenen Abschnitten ermittelten Grundlagen sind die numerischen Methoden der Mechanik, insbesondere die Methode der Finiten Elemente (FEM). Die zugehörige Standardanwendung, bei der das gesamte zu berechnende Objekt in kleine Stab-, Schalen- und Volumenelemente diskretisiert wird, ist allerdings im vorliegenden Fall problematisch, da beispielsweise ein 6 Meter langer Vortrieb mit 3 Meter langen Rohren DN 2 mindestens mit der folgenden Dichte diskretisiert werden müsste: 5 Elemente über die Wanddicke 12 Elemente über den Rohrumfang 5 Elemente über die Rohrlänge 2 Rohre á 3 m Diese eigentlich noch recht grobe Diskretisierung ergäbe etwa 6 Millionen Elemente, so dass ein derartiges System insbesondere im Hinblick auf die zahlreichen nichtlinearen Kontaktprobleme und die sich daraus ergebenden Iterationen auch mit der heutigen Computertechnologie nicht mehr lösbar ist. Aus diesem Grunde soll im vorliegenden Fall die Substrukturtechnik angewendet werden, die sich insbesondere deshalb anbietet, weil sich die folgenden Teilstrukturen im Gesamtmodell vielfach wiederholen: Vortriebsrohr Rohrverbindung (Druckübertragungsring, Dichtung) Baugrund Diese drei Teilstrukturen werden zunächst einzeln einer Spannungs-Stauchungsanalyse unterzogen und unabhängig voneinander bezüglich ihrer Interaktion mit dem Gesamtsystem untersucht. Über eine parametrisierte statische Berechnung werden die Teilsysteme so aufbereitet, dass jeweils ein parametrisiertes Finites Element entsteht. Folgende Elementtypen sollen auf diese Weise hergeleitet werden: Vortriebsrohrelement mit einem linearen Spannungs-Stauchungsverhalten und insgesamt 6 linear unabhängigen Freiheitsgraden (analog zu einem Balkenelement mit exzentrischen Anschlüssen) Baugrundelement in Form eines Bettungselementes, das an jeweils beiden Enden jedes Rohres Kontaktdruckspannungen zwischen Rohr und Boden aufnehmen kann Dehnerelement, das zwischen Dehnervorlauf- und Dehnernachlaufrohr angeordnet wird und die Eigenschaften der Zwischenpressstationen simulieren soll Fugenelement als Verbindungselement zwischen den Rohren Alle Elemente werde so hergeleitet, dass sie an ihren Anschlussenden jeweils drei linear unabhängige Freiheitsgrade besitzen, und zwar zwei Verschiebungen und eine Verdrehung. Dadurch ist gewährleistet, dass alle Elementtypen zueinander kompatibel sind und theore- 25

29 tisch in beliebiger Form zusammengebaut werden können. Als Konvention für die globalen Koordinaten gelten die folgenden Voraussetzungen: Die erste Verschiebungsrichtung (x-richtung) zeigt grundsätzlich vom Startschacht (x=, in allen Darstellungen links) zum Zielschacht (in allen Darstellungen rechts) Die zweite Verschiebungsrichtung (z-richtung) steht senkrecht auf der x-richtung und zeigt in allen Darstellungen nach unten Die Verdrehungsrichtung bildet mit den beiden Verschiebungsrichtungen ein Rechtssystem, so dass eine Verdrehung gegen den Uhrzeigersinn positiv ist. Abbildung 6-1: Definition der Koordinatensysteme: lokal (am Element) und global (links) Obwohl einige Elementtypen keinen Beitrag zur Rotationssteifigkeit liefern, wird der Verdrehungsfreiheitsgrad ausgebildet und mit Nullen besetzt. Das System wird so aufgebaut, dass die verschieblichen Systemknoten ausschließlich auf der Rohrstrangachse an den Rohrenden liegen, wobei jedes Rohrende einen Knoten darstellt. Die einander zugewandten Enden von zwei benachbarten Rohrelementen haben zwar im System identische Koordinaten (Positionen), sind dabei aber nicht an einen gemeinsamen, sondern an unterschiedlichen Knoten angeschlossen. Die Kopplung dieser jeweils koordinatengleichen Knoten erfolgt über die Fugenelemente und im Sonderfall über die Dehnerelemente. Natürlich erhält jeder Rohrendknoten seine eigenen Baugrundelemente. Abbildung 6-2: Rohrelement mit seiner Verknüpfung zu den Nachbarrohren und dem Baugrund Das Gesamtsystem zur Erfassung des Rohrstranges lässt sich dadurch mit den Rohrelementen zu einer Elementkette verbinden, die den Rohrstrang darstellt. 26

30 Nach dem Zusammenbau der drei Elementtypen ergibt sich der Kontakt eines Rohres mit den Nachbarrohren und dem Baugrund entsprechend der im Abbildung 6-2 dargestellten Skizze. Mit diesen Elementen lässt sich der gesamte Rohrstrang diskretisieren, wobei sich pro Rohr nur 6 Freiheitsgrade ergeben. Im Vergleich zu den 6 Millionen Freiheitsgraden bei einer Standard-FEM-Berechnung ergeben sich hier gerade einmal 12 Freiheitsgrade, wodurch sich die erforderliche Rechenleistung zur Lösung des Gleichungssystems um den Faktor 5 3, d.h. mehr als 1 Zehnerpotenzen verringert. Damit wird das Problem der Berechenbarkeit von Führungskräften gelöst und die kurzen Rechenzeiten erlauben Parameterstudien zur Herleitung eines einfachen Berechnungsverfahrens und zur Entwicklung von Hinweisen für eine statisch günstige Trassierung. Abbildung 6-3: Mögliche Angriffspunkte von Führungskräften 6.2 Herleitung der Finiten Elemente Rohrelement Das Rohrelement kann nicht als Euler-Bernoulli-Balken mit Kreisringquerschnitt hergeleitet werden, da im vorliegenden Fall die hierfür erforderliche Bernoulli-Hypothese nicht zutrifft. Die Querschnitte insbesondere der Rohrspiegel, die im unverformten Zustand rechtwinklig zur Nulllinie stehen, bleiben bei der Verformung infolge der Vortriebskraft nicht eben. Vielmehr verursacht die exzentrische Einleitung hoher Längskräfte auf einen Kreisringabschnitt des jeweiligen Rohrspiegels eine Schubverformung der Querschnittsebene. Dieses Phänomen wird bereits in der gültigen Berechnungsvorschrift, dem DWA-Arbeitsblatt A 161 [5] berücksichtigt. In der dort dokumentierten und über FEM-Berechnungen untermauerten Theorie geht man davon aus, dass sich die Teilflächenpressung an den Rohrenden als Druckspannungen im Rohr fortsetzen und sich nur begrenzt in Umfangsrichtung ausbreiten. Die Erhöhung der Längsdrucksteifigkeit wurde im Rahmen der Neufassung des DWA-A 161 [5] eingehend untersucht und über den Faktor κ ab erfasst. Dieser Abminderungsfaktor für die Rohrverformung erhöht im Prinzip die Rohrsteifigkeit und ist von den folgenden Parametern abhängig: Länge des Rohres Außendurchmesser des Rohres Abwinklung Während die beiden ersten Parameter lediglich von der Geometrie des jeweiligen Rohres abhängig sind, wird der dritte Parameter von der jeweiligen Krümmung des Rohrstranges an der aktuellen Position des Rohres bestimmt. Somit besitzt im Allgemeinen jedes Rohr eines 27