AUSGABE 24 FEBRUAR 2010 UERSCHNITT. Beiträge aus Forschung und Entwicklung

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1 AUSGABE 24 FEBRUAR 2010 UERSCHNITT Q Beiträge aus Forschung und Entwicklung

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3 AUSGABE 24 FEBRUAR 2010 UERSCHNITT Q Beiträge aus Forschung und Entwicklung

4 QUERSCHNITT 24 WIR VERBINDEN WISSENSCHAFT UND PRAXIS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG UND DIE ENGE ZUSAMMENARBEIT MIT EXTERNEN PARTNERN BILDEN DIE BASIS FÜR EXZEL- LENTE LEHRE UND INNOVATIONSFÄHIGKEIT Pneu Eine aufblasbare Tasche (siehe Seite 134) 2

5 VORWORT Die Kratzfestigkeit von Lacken in der Waschanlage Dübel besonderer Bauart eine aufblasbare Tasche telematisch gesteuertes Lkw-Parken Wenn Sie die vorliegende Ausgabe des Querschnitts Beiträge aus Forschung und Entwicklung in die Hand nehmen, so sehen Sie auf der Titelseite und den ganzseitigen Fotos an verschiedenen Stellen in unserem Magazin Beispiele für Kooperationspro - jekte der Hochschule Darmstadt Gemeinsam mit Unternehmen haben Angehörige der Fachbereiche Bauingenieurwesen, Gestaltung sowie Maschinenbau und Kunststofftechnik im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten technische Lösungen oder Produktideen für die Praxis entwickelt Exemplarisch lässt sich an diesen ins Bild gesetzten Forschungsarbeiten die Stärke von Forschung an Fachhochschulen verdeutlichen Als Hochschule für angewandte Wissenschaften ist es ein Ziel der Hochschule Darmstadt, anwendungsnahe Forschung zu realisieren, deren Ergebnisse möglichst direkt in die Praxis einfließen können Zugleich verstehen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerin nen an der h_da ihre Forschungsarbeiten als einen Ansatz, praktische Frageund Problemstellungen aufzugreifen und in die Lehre einzubringen Fachhochschulen ver knüpfen auf diese Weise Lehre und Forschung zu einer Einheit, denn gute praxisorientierte Forschung ist Voraussetzung für eine praxisnahe Ausbildung der Studierenden Forschungskooperationen führen so zu einer Win-win-Situation für Hochschule und Kooperationspartner Ob es um die Berechnung von Regenmengen und die daraus abzuleitenden Querschnitte von Abwasserkanälen geht (Drechsel), um die Steuerung von Smart Homes (Massoth u a), um die Datenqualität in der betrieblichen Praxis (Hildebrand) oder um die Integration von Datenbeständen im Rahmen von Mergers & Acquisitions (Fengel/Rebstock), gemeinsam ist diesen Forschungsprojekten ihre praktische Relevanz Die Hochschule Darmstadt trägt mit diesem praktischen Forschungsprofil zum Innovationsgeschehen sowie zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit in der Region und darüber hinaus bei Wir freuen uns, Ihnen mit der vorliegenden Ausgabe einen Überblick über aktuelle Forschungsarbeiten an der Hochschule Darmstadt bieten zu können Besonders freut es uns, wenn Sie die eine oder andere Anregung oder Antwort in unserem Forschungsmagazin finden, die Sie für Ihre eigene praktische Arbeit nutzen können Präsidentin der Hochschule Darmstadt Prof Dr Maria Overbeck-Larisch Leiter des Zentrums für Forschung und Entwicklung Prof Dr Bernd Steffensen 3

6 QUERSCHNITT 24 Baupraktische Berechnungen von Dübeln besonderer Bauart (siehe Seite 135) 4

7 INHALT Seite 3 VORWORT DER PRÄSIDENTIN UND DES LEITERS DES ZENTRUMS FÜR FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Seiten 8 83 PROJEKTE Seiten 8 19 BERÜCKSICHTIGUNG DER UNGLEICHMÄSSIGEN ÜBERREGNUNG BEI DER HYDRAULISCHEN BERECHNUNG GROSSER KANALNETZE Prof Dr-Ing Ulrich Drechsel Fachbereich Bauingenieurwesen Seiten KONZEPT FÜR EINEN ZUKUNFTS FÄHIGEN ÖPNV BEI DER SCHÜLER BEFÖRDERUNG IM KREIS OFFENBACH Prof Dr-Ing Jürgen Follmann, Marcell Biederbick Fachbereich Bauingenieurwesen Seiten WIE ZUVERLÄSSIG IST DIE KÜNFTIGE, REGENERATIVE UND DEZENTRALE STROMVERSORGUNG? Bernhard Fenn, HSE AG, Thorsten Fiedler, Hochschule Darmstadt, Dieter Metz, Hochschule Darmstadt Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Seiten KONTURVERFOLGUNG MIT ROBOTERN SEMI-AUTOMATISCHE OFFLINE- PROGRAM MIERUNG VON INDUSTRIEROBOTERN DURCH STEREOREKONSTRUKTION Alexander König, Heiko Koch, Alexandra Weigl-Seitz, Karl Kleinmann Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Seiten CLIMA-PRO ENTWICKLUNG VON INSTRUMENTEN ZUR VERBESSERUNG DES MARKTZUGANGS DEUTSCHER UNTERNEHMEN BEI UMWELT- UND KLIMASCHUTZ- PROJEKTEN IN SCHWELLEN- UND ENTWICKLUNGSLÄNDERN Karsten Barginda Fachbereich Gesellschaftswissenschaften und Soziale Arbeit Seiten MATERIAL- UND DIMENSIONSSTUDIE AN DIESELPARTIKELFILTERN Claus Dieter Vogt, Philipp Kattouah, Gerald Ruß, Andreas Rothenbach Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik 5

8 QUERSCHNITT 24 INHALT Seiten INHÄRENT SICHERES VERHALTEN AM BEISPIEL THERMISCHER ANIMATION AEROSOLBELASTETER REKOMBINATOREN Prof Dr-Ing habil Jochem Unger Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik Seiten DATENMÜLL DIE VERSCHMUTZUNG DER INFORMATIONSSYSTEME Prof Dr Knut Hildebrand Fachbereich Wirtschaft Seiten PROJEKTBERICHTE Seiten ASYMMETRISCHE INDUKTION DURCH LÖSUNGSMITTEL AUS DEM NATURAL CHIRAL POOL Stefan H Hüttenhain, Friedrich Kruse, Nina Dickerhof, Christoph Baldauf, Isabelle Salwig, Birgit Spitznagel, Stefanie Kern, Kristina Müller, Nancy Krummrich, Janine May, Melanie Meister, Sabine Rauer, Nico Scharpfenecker Fachbereich Chemie und Biotechnologie Seiten WO IST WAS? INERTIALE OBJEKTVERFOLGUNG AUF BASIS VON LOW-COST-INERTIALSENSOREN MIT ADMIN Prof Dr Markus Haid, Miriam Heil, Ersan Günes Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Seiten ZUKUNFT DER SCHULE WELCHE ROLLE KANN DIE AUSSERSCHULISCHE BILDUNG SPIELEN? Prof Dr Achim Schröder Fachbereich Gesellschaftswissenschaften und Soziale Arbeit Seiten VORHERSAGE DER TEAMLEISTUNG VON VIRTUELLEN SOFTWARE-ENTWICKLUNGSTEAMS IN BEZUG AUF DIE ZU ERWARTENDE PROJEKTKOMPLEXITÄT Ralf Friedrich, Udo Bleimann, Thomas Martens, Ingo Stengel, Paul Walsh Fachbereich Informatik Seiten HÄUSER FERNSTEUERN UND PROZESSE OPTIMIEREN DURCH MOBILE LÖSUNGEN Prof Dr Michael Massoth, Robin Acker, Prof Dr Ronald Moore Fachbereich Informatik 6

9 Seiten MOBILE UMFRAGEN MIT DEM HANDY VON DEN ERSTEN PROTOTYPEN ÜBER DIE SERIENFERTIGUNG BIS ZU EINSATZERFAHRUNGEN Prof Dr Heinz-Erich Erbs, Florian Miess Fachbereich Informatik Seiten CASED EIN DARMSTÄDTER FORSCHUNGSZENTRUM ENTWICKELT IT-SICHERHEITSBAUSTEINE VON MORGEN Prof Dr Harald Baier, Prof Dr Christoph Busch Fachbereich Media, Fachbereich Informatik Seiten DIE ELEKTRONISCHE EDITION DER BRIEFE VON UND AN FRANK WEDEKIND: EIN INNOVATIVES PROJEKT IN DEN E-HUMANITIES Prof Dr Ulrike Steierwald, Prof Dr Uta Störl, Prof Dr Hartmut Vinçon, Stefan Gründling Fachbereich Media, Fachbereich Informatik, Fachbereich Gesellschaftswissenschaften und Soziale Arbeit Seiten HÖRBÜCHER UND PODCASTING FÜR BILDUNGSZWECKE Prof Sabine Breitsameter Fachbereich Media Seiten DYNAMISCHE MODELLINTEGRATION IM ELEKTRONISCHEN GESCHÄFTSVERKEHR DAS FORSCHUNGSPROJEKT MODI Janina Fengel, MSc, Prof Dr Michael Rebstock Fachbereich Wirtschaft Seiten FORSCHUNG INS BILD GESETZT Seiten ABSCHLUSSARBEITEN Seiten DANKSAGUNG Seite 170 IMPRESSUM 7

10 QUERSCHNITT 24 8

11 Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung bei der hydraulischen Berechnung großer Kanalnetze FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN BERÜCKSICHTIGUNG DER UNGLEICH- MÄSSIGEN ÜBERREGNUNG BEI DER HYDRAULISCHEN BERECHNUNG GROSSER KANALNETZE Autor Prof Dr-Ing Ulrich Drechsel Im Bauingenieurwesen werden für die Bemessung von Bauteilen Belastungsannahmen verwendet Im Hochbau handelt es sich dabei meist um Maximalbelastungen, da ein Versagen nicht tolerabel ist In der Wasserwirtschaft werden entsprechend des Gefährdungspotentials differenzierte Versagenswahrscheinlichkeiten angesetzt Bei der Bemessung der Kanalisation handelt es sich bei der Belastung um den gefallenen Niederschlag Da die Schäden, die durch Überlastung auftreten, meist nur materieller Art sind und sich durch Objektschutz oder durch angepasstes Verhalten minimieren lassen, wird je nach System ein rechnerisches Versagen alle zwei bis zehn Jahre akzeptiert Im Rahmen eines Forschungssemesters wurden Untersuchungen durchgeführt, in denen die Auswirkungen von unterschiedlichen Niederschlagsbelastungen auf die Genauigkeit der Ergebnisse und damit auf die Versagenswahrscheinlichkeit analysiert wurden [2] In diesem Artikel sind einige wesentliche Aus züge aus den erarbeiteten Ergebnissen aufgeführt Angesichts der im städtischen Bereich sehr hohen Kosten für den Austausch eines Kanalabschnittes entsteht bei unzureichend genauer Planung eine volkswirtschaftliche Belastung, die insbesondere in Zeiten von knappen öffentlichen Kassen nicht hin genommen werden kann und Überlegungen erzwingen, wie die Bemessungsansätze verbessert werden können Die Ergebnisse der Untersuchung liefern hier eine Hilfestellung 9

12 QUERSCHNITT 24 7 Modellregen nach Euler Niederschlagshöhe [mm] 7 Blockregen Niederschlagshöhe [mm] Regendauer [min] Regendauer [min] Abbildung 1 Beispiel für Modell- und Blockregen 1 Einführung, Stand der Forschung Kanalnetze dienen der Ableitung des Schmutzwassers und der niederschlagsbedingten Abflüsse Da ein Kanalnetz aus wirtschaftlichen und bautechnischen Gründen nicht auf den größten vorstellbaren Niederschlag ausgelegt wird, ist für die Bemessung und den Nachweis die Wahrscheinlichkeit des Versagens zu bewerten Wenn ein Kanalnetz das Niederschlagswasser aus einem Starkregen nicht mehr ableiten kann, dann kommt es zum Beispiel bei Straßeneinläufen oder an Kanaldeckeln zu einem Wasseraustritt Die zulässige Häufigkeit einer solchen Überlastung ist geregelt Mit der europäischen Normierung wurde der Überflutungsschutz 1 mit unterschiedlichen Häufigkeiten als zentrales Bewertungskriterium eingeführt Im Arbeitsblatt 118 der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall ev DWA [3] wird zusätzlich der Begriff Überstau 2 verwendet Bei dem Nachweis von Kanalnetzen mit Berechnungsmodellen werden meist keine realen gemessenen Niederschlagsbelastungen, sondern Block- oder Modellregen mit der gewünschten Häufigkeit aus einer Niederschlagshöhenstatistik 3 abgeleitet und als einheitliche Belastung für das gesamte Einzugsgebiet zur Netzberechnung verwendet (Abbildung 1) Insbesondere bei großen Kanalnetzen ist zu beobachten, dass Bereiche als hydraulisch überlastet ausgewiesen werden, bei denen bisher noch nie oder wesentlich seltener Probleme beobachtet wurden Neben Unzulänglichkeiten in der Modellierungsgüte und den Systemdaten ist als wesentliche Ursache die insbesondere bei Starkregen vorhandene ungleichmäßige Überregnung zu nennen In der Fachliteratur sind zur ungleichmäßigen Überregnung zahlreiche Veröffentlichungen zu finden, die sich aber hinsichtlich der Daten, der Methodik und der Ziele nicht direkt vergleichen lassen Das Problem der ungleichmäßigen Überregnung wurde zunächst im Bereich der Modellierung von Flussgebieten mit Einzugsgebietsgrößen von mehr als 100 km² erkannt und bearbeitet In etlichen Untersuchungen (z B Fuchs; Flender [5], Grobe [6], Huff [7], Verworn; Schmidtke [11]) wurden Niederschlagsdaten von mehreren Regenschreibern ausgewertet Die dort vorhandene Regenschreiberdichte ließ nicht in allen Fällen gesicherte Rückschlüsse auf kleinere Einzugsgebiete zu Grobe [6] hat Untersuchungen im Emscher- und Lippegebiet durchgeführt Mit steigender Gebietsgröße und mit abnehmender Dauer des Regens ist die flächengemittelte Niederschlagshöhe gegenüber dem an einem Punkt gemessenen Niederschlag immer stärker abzumindern Für die bei der Stadtentwässerung interessanten Flächengrößen werden praktisch keine Aussagen getroffen Bei Fuchs und Flender [5] wurden Auswertungen an Messnetzen in Hamburg und Hannover vorgenommen Die erhaltenen Ergebnisse sind für die hier vorliegende Fragestellung zutreffender Neben den zuvor genannten Abhängigkeiten wurde ein Zusammenhang mit der Häufigkeit des Regens festgestellt Der neueren Veröffentlichung von Verworn und Schmidtke [11] liegen Untersuchungen im Einzugsgebiet von Emscher (30 Regenschreiber), Wupper (27) und Bode (24) zugrunde Die Datensituation war somit erheblich besser Es konnten auch kleinere Gebietsgrößen unter 100 km² betrachtet werden Im 10

13 Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung bei der hydraulischen Berechnung großer Kanalnetze FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN 1,0 Grobe Abminderungsfaktor [-] 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Einzugsgebietsgröße [km 2 ] 1,0 Fuchs/Flender Abminderungsfaktor [-] 1,0 Verworn/Schmidtke Abminderungsfaktor [-] 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, Einzugsgebietsgröße [km 2 ] 0, Einzugsgebietsgröße [km 2 ] Abbildung 2 Abminderungen abhängig von Einzugsgebietsgröße, Dauer bzw Häufigkeit in bisherigen Untersuchungen ([5], [6], [11]) D = 12 h, D = 5 min, n = 0,1, n = 0,01, D = 12 h, D = 15 min Gegensatz zu den zuvor geschilderten Untersuchungen wurde keine Abhängigkeit der Abminderung von der Häufigkeit der Niederschläge festgestellt Neben der Tatsache, dass die in Abbildung 2 dargestellten Abminderungsfaktoren sehr stark differieren, ist die Frage nach der Berücksichtigung der Abminderung bei Bemessungsaufgaben bzw Modellanwendungen bisher nicht zufrieden stellend beantwortet Neben den aufgeführten niederschlagsbezogenen Untersuchungen gibt es auch Veröffentlichungen über die Auswirkungen der ungleichmäßigen Überregnung auf die Berechnungsergebnisse, wie zum Beipiel in Schmitt [9] oder Thomas et al [10] Allerdings war hier der zeitliche Umfang der Daten wesentlich kürzer als im nachfolgend beschriebenen Projektgebiet, bzw es wurden nur einzelne Ereignisse untersucht 2 Beschreibung des Projektgebietes und der Daten Die Stadt Mainz hat eine Stadtfläche von knapp 100 km² und ca Einwohnern Das gesamte Kanalnetz umfasst etwa Haltungen bei einer Kanallänge von 690 km Da im Stadtgebiet nur der Rhein als Gewässer für Einleitungen nutzbar ist, muss der gesamte Niederschlagsabfluss aus einem sehr großen Bereich durch die Innenstadt zum Rheinufer transportiert werden In mehreren umfangreichen Niederschlag-Abfluss- Mess pro grammen wurde der Datensatz aufwändig kalibriert [1] Dieser Schritt ist insbesondere bei größeren Berechungsgebieten unbedingt erforderlich, da sonst die Realität nur unzureichend wiedergegeben werden kann Im Stadtgebiet von Mainz sind derzeit 17 Regenschreiber in Betrieb, die den Niederschlag in 5-Minuten-Schritten erfassen An 5 Standorten liegen kontinuierliche Messungen über 32 Jahre, an 5 weiteren über 15 Jahre vor Die Aufzeichnungsdauer der übrigen 7 Schreiber war für diese Untersuchung noch nicht ausreichend Die Lage der einzelnen Regenschreiber ist dem Übersichtslageplan (Abbildung 3) des Mainzer Kanal netzes zu entnehmen Die langjährigen Schreiber sind von MZ 1 bis MZ 5 nummeriert 3 Durchgeführte Niederschlagsauswertungen Im Rahmen der Bearbeitung wurden zunächst umfangreiche Datenprüfungen und Niederschlagsauswertungen durchgeführt, um Fehler in den Messdaten zu erkennen und zu bereinigen (z B Jahres-, Monats-, Tageswerte, Niederschlagshöhenstatistiken, Starkregenauswertung, siehe auch [4]) Vor dem Hintergrund zu erwartender Klimaänderungen konnten anhand der Messdaten keine signifikanten Zusammenhänge oder Trends erkannt werden Es wurde auch untersucht, ob sich anhand von Nachbarstationen datumsgerechte Niederschlagsdaten synthetisch generieren lassen Hier waren aber keine zufrieden stellenden Ergebnisse zu erzielen 1 Wasseraustritt, der einen Schaden verursacht 2 Wasser auf Gelände 3 In einer Niederschlagshöhenstatistik werden langjährig gemessene Niederschlagsmessungen ausgewertet Ergebnis ist die Auftretenswahrscheinlichkeit von Niederschlagshöhen und -intensitäten in Abhängigkeit von der Regendauer 11

14 QUERSCHNITT 24 MZ 1 Rhein MZ 9 Mainz Innenstadt MZ 6 MZ 8 MZ 10 MZ 3 ~13 km MZ 2 MZ 7 ~10 km MZ 5 MZ 4 Abbildung 3 Lage der Regenschreiber [1] 12

15 Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung bei der hydraulischen Berechnung großer Kanalnetze FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN / MZ 2 Niederschlagshöhe [mm] 4,6 4 3,6 3 2, ,5 10,9 mm 0,5 0,3 0 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 Uhrzeit / MZ 1 Niederschlagshöhe [mm] / MZ 1+2 gemittelt Niederschlagshöhe [mm] , ,4 1, ,0 13:50 0,0 13:55 0,2 mm 0,1 14:00 0,1 14:05 0,5 0,8 14:10 14:15 Uhrzeit 1 0 0,2 13:50 13:55 5,6 mm 14:00 14:05 0,5 0,5 14:10 14:15 Uhrzeit Abbildung 4 Vorgehensweise zur Erstellung der Gebietsniederschläge 4 Statistik der Gebietsniederschlagshöhen Um die ungleichmäßige Überregnung auch statistisch beschreiben zu können, wurden die Niederschlagsdaten der einzelnen Messstationen zu Gebietsniederschlagsreihen zusammengesetzt In Abbildung 4 ist die Vorgehensweise beispielhaft dargestellt Die linke Abbildung zeigt ein Ereignis am Schreiber MZ 2, welches im Jahr 1995 die größte Niederschlagshöhe für eine Dauer von 15 Minuten aufwies Zeitgleich fiel am Schreiber MZ 1 fast kein Niederschlag (rechts) Mit einem Wichtungsfaktor von jeweils 0,5 folgt ein Gebietsniederschlag, der hinsichtlich des 15-minütigen Niederschlags keinen jährlichen Maximalwert mehr liefert (unten) Bei der zusammengesetzten Niederschlagsreihe trat das für die Statistik verwendete 15-Minuten-Maximum des Jahres 1995 zu einem völlig anderen Zeitpunkt auf Es wurden mehrere Kombinationen von Niederschlagsstationen untersucht Dazu wurden die Niederschlagswerte der verwendeten Regenschreiber arithmetisch gemittelt Für die so erhaltenen neuen Regenreihen wurden dann Niederschlagshöhenstatistiken erstellt Nachfolgend sind beispielhaft einige Ergebnisse dargestellt: Schreiber MZ 1 alleine (Referenz) Schreiber MZ (Wichtungsfaktor 0,5) Schreiber MZ (Wichtungsfaktor 0,33) Schreiber MZ (Wichtungsfaktor 0,25) Schreiber MZ (Wichtungsfaktor 0,2) Abbildung 5 bestätigt die auch bei Verworn und Schmidtke [11] festgestellte Unabhängigkeit der Abminderungsfaktoren von der Häufigkeit In Abbildung 6 sind Abminderungsfaktoren für verschiedene Dauerstufen dargestellt Erwartungsgemäß treten bei kurzen Dauerstufen mit zunehmender Anzahl von zusammengefassten Stationen (entspricht einem größeren Einzugsgebiet) wesentlich stärkere Abminderungen auf Bei der Mittelung aller 5 Regenschreiber wird eine Abminderung auf 90 % (Dauerstufe 12 h) bzw auf 50 % (Dauerstufe 5 min) des Referenzwertes der Reihe 1 berechnet Bei einer gesamten Einzugsgebietsfläche von ca 100 km 2 und 5 Niederschlagsschreibern beträgt die Fläche pro Schreiber vereinfacht 20 km 2 Damit kann anstelle der zuvor verwendeten Beschriftung der Abszisse auch eine Flächenangabe verwendet werden und ein gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Verworn/Schmidtke [11] gezeigt werden (Abbildung 7) 5 Auswirkungen auf die Kanalnetzberechnung Neben der reinen Niederschlagsauswertung sollten im Rahmen dieser Untersuchung insbesondere die Auswirkungen unterschiedlicher Niederschlagsbelastungen auf die Ergebnisse der Kanalnetzberechnung untersucht werden 51 Kanalnetzprogramm Zur Verwendung kam ein Kanalnetzprogramm auf der Grundlage der vollständigen Differentialgleichungen von Saint- 13

16 QUERSCHNITT Abminderung Punktniederschlag [D = 15 min] Abminderung [%] 120 Abminderung Punktniederschlag (alle Tn gemittelt) Abminderung [%] Statistik für Regenschreiber Statistik für Regenschreiber Abbildung 5 Abminderung für die Dauerstufe 15 min und für verschiedene Häufigkeiten n = 1, n = 0,5, n = 0,2, n = 0,01 Abbildung 6 Abminderung für verschiedene Dauerstufen D = 5 min, D = 15 min, D = 60 min, D = 12 h Venant Das Programm ermöglicht die hydraulisch korrekte Erfassung von Netzverzweigungen sowie von besonderen Fließzuständen wie Rückstau, Fließumkehr, schießender Abfluss und von Sonderbauwerken (Regenüberläufe, Rückhaltebecken, usw) Neben der Berechnung von Einzelregen und der Langzeitseriensimulation kann auch eine echte Langzeitkontinuumssimulation unter Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung durchgeführt werden Damit sind Häufigkeitsaussagen über bestimmte Netzzustände (Überstau, Beckeneinstau, Entlastungsvolumina) möglich Die Rechenzeit für eine Kontinuumssimulation des Mainzer Netzes für Niederschlagsreihen mit 32 Jahren Aufzeichnungsdauer betrug mit einem der im Jahr 2008 leistungsfähigsten PCs etwa 50 Stunden 52 Berechnungsergebnisse Für die Bewertung der Ergebnisse von Kanalnetzberechnungen ist die Häufigkeit von Überstauereignissen und das dabei an einem Schacht austretende Wasservolumen eine aussagekräftige Größe In den nachfolgenden Grafiken wird das an überlasteten Schächten rechnerisch ermittelte Überstauvolumen für jeweils zwei unterschiedliche Niederschlagsbelastungen gegenübergestellt Für alle überlasteten Schächte sind die jeweils berechneten Überstauvolumina als Kreuze dargestellt So wurde in Abbildung 8 z B an dem Schacht 2787 für die Belastung 1 ein Überstauvolumen von 417 m 3 und für Belastung 2 ein Volumen von 490 m 3 berechnet Analog stehen alle weiteren Kreuze jeweils für ein Wertepaar an einem überlasteten Kanalschacht Die durchgezogene Linie stellt die lineare Regressionsgerade (y = 1,17 x) und die strichlierte Linie die Geradengleichung durch den Ursprung mit der Steigung 1 dar Falls die Niederschlagsbelastungen 1 und 2 gleiche Ergebnisse liefern, müssten alle Kreuze auf der strichlierten Linie liegen und die Regressionsgerade ebenfalls eine Steigung von 1 haben Als Vergleichswerte können die innerhalb des Simulationszeitraums aufgetretenen Maximalwerte des Überstauvolumens herangezogen werden Diese haben eine Auftretenshäufigkeit von einmal oder seltener innerhalb des Messzeitraums Hinsichtlich der im DWA-Arbeitsblatt 118 [3] geforderten Überstausicherheiten sind diese Häufigkeiten zu klein Daher werden hier nur die bemessungstechnisch relevanten Ergebnisse mit einer Häufigkeit von einmal in 3 Jahren (n = 1/3 = 0,33) dargestellt Bei einem hydraulisch ausreichend sanierten Netz dürften bei dieser Häufigkeit keine Überlastungen auftreten 521 Vergleich Langzeitkontinuumssimulation mit Langzeitseriensimulation Bei der Langzeitseriensimulation werden aus einer langjährigen Regenreihe über eine Ereignisdefinition stärkere Niederschlagsereignisse abgegrenzt und diese dann als einzelne Belastung gerechnet Bei der Langzeitkontinuumssimulation werden die Regenreihen einschließlich aller Trockenwetterperioden zusammenhängend berechnet Mit einer Vergleichsberechnung wurde untersucht, ob die aus Rechenzeitgründen 14

17 Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung bei der hydraulischen Berechnung großer Kanalnetze FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN 120 Vergleich der Abminderung mit Verworn/Schmidtke Abminderung [%] Gebietsgröße [km 2 ] Abbildung 7 Vergleich der Abminderung mit Verworn / Schmidtke [11] D = 12 h, Verworn, D = 12 h, Mainz, D = 90 min, Verworn, D = 90 min, Mainz, D = 15 min, Verworn, D = 15 min, Mainz gewünschte Vereinfachung der Langzeitseriensimulation gegenüber der Kontinuumssimulation zulässig ist (Abbildung 9) Die Ergebnisse der Langzeitkontinuumssimulation stimmen gut mit denen der Langzeitseriensimulation überein Bei einer an die Netzeigenschaften angepassten Ereignisdefinition kann somit auch die weniger aufwändige Langzeitseriensimulation gute Ergebnisse liefern 522 Vergleich Langzeitsimulation der einzelnen Regenreihen Häufig ist die Datensituation nicht so gut wie in Mainz und es steht nur eine Regenreihe zur Verfügung Im Folgenden wird daher der Einfluss einzelner Regenreihen auf die Zielgröße Überstauvolumen untersucht Dazu wurden mit den Regenreihen MZ 1, MZ 2 und MZ 3 jeweils Langzeitkontinuums-Berechnungen durchgeführt und gegeneinander verglichen Die mit den Regenschreiberdaten MZ 1 und MZ 2 erzielten Ergebnisse stimmen sehr gut überein (Abbildung 10) Bei den Ergebnissen von MZ 1 und MZ 3 treten unakzeptabel große Abweichungen (+ 44 %) auf (Abbildung 11) Die Wahl des verwendeten Regenschreibers hat selbst bei relativ dicht beieinander liegenden Stationen einen erheblichen Einfluss auf das Berechnungsergebnis 523 Vergleich zwischen gleichmäßiger und ungleichmäßiger Überregnung bei Langzeitsimulation Zur Erfassung der ungleichmäßigen Überregnung konnten bei den 32-jährigen Reihen aufgrund der Lage der Regenschreiber im Entwässerungsgebiet nur die drei Stationen MZ 1, MZ 2 und MZ 3 verwendet werden Bei einer Verkürzung der Simulationsdauer auf 15 Jahre waren die Daten von acht Stationen (MZ 1 bis MZ 3 und MZ 6 bis MZ 10) nutzbar Die Ergebnisse (Abbildung 12) entsprechen den Erwartungen Eine ungleichmäßige Überregnung führt zu einer geringeren Belastung der Kanalisation und damit zu kleineren Überstauvolumina Ein Vergleich der Überstauvolumina aus der Regenreihe MZ 1 (gleichmäßige Überregnung) mit denen der Reihen MZ 1, 2 und 3 (ungleichmäßige Überregnung) zeigt eine durchschnittliche Abweichung von minus 30 % Bei den zusätzlich mit einem Kreissymbol hervorgehobenen Schächten innerhalb des zentralen, nicht entlasteten Netzteils mit sehr langen Fließzeiten sind die Abweichungen noch größer Allerdings kommt es infolge des räumlich verteilt berücksichtigten Niederschlags und damit einer lokal zum Teil ungünstigeren Regenverteilung an einigen Schächten außerhalb dieses Bereiches sogar zu einem größeren Überstauvolumen Ungeachtet der Empfehlung, dass die kürzeren Zeitreihen mit 15 Jahren keine adäquate Auswertung ermöglichen, wurde dennoch mit der Langzeitsimulation ein Vergleich der 15-jährigen Regenreihe MZ 1 (gleichmäßig überregnet) mit den acht ebenfalls 15-jährigen Regenreihen MZ 1 3 und MZ 6 10 (ungleichmäßig überregnet) durchgeführt Dadurch kann der Effekt der ungleichmäßigen Überregnung infolge der erhöhten Anzahl von Regenreihen besser aufgezeigt werden Die Ergebnisse in Abbildung 13 zeigen zumindest qualitativ, dass die Abminderung der Überstauvolumina infolge der ungleichmäßigen Überregnung noch wesentlich stärker sein 15

18 QUERSCHNITT 24 LZKS MZ 1 gegen LZSS MZ1 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitserie MZ 1 [m³] Niederschlagsbelastung 1 gegen 2 Überstauvol Belastung 2 [m³] y = 1,17x y = 1,10x z B Ergebnis für Schacht 2787 Überstvol 1: V1 = 417 m 3 Überstvol 2: V2 = 490 m Abbildung 8 Beispiel für die grafische Ergebnisdarstellung Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 [m³] Überstauvol Belastung 1 [m³] Abbildung 9 Vergleich von Langzeitkontinuumssimulation (LZKS) mit Langzeitseriensimulation (LZSS) LZKS MZ 1 gegen LZSS MZ2 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 2 [m³] LZKS MZ 1 gegen LZKS MZ3 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 3 [m³] y = 1,01x y = 1,44x Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 [m³] Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 [m³] Abbildung 10 Vergleich der Ergebnisse von MZ 1 mit MZ 2 Abbildung 11 Vergleich der Ergebnisse von MZ 1 mit MZ 3 wird Die durchschnittlichen Abweichungen liegen bei mehr als minus 50 % Auch hier sind die durch das zusätzliche Kreissymbol hervorgehobenen Schächte des zentralen nicht entlasteten Innenstadtbereichs in besonderem Maße an diesem Ergebnis beteiligt Vorstehende Ergebnisse zeigen die Bedeutung der ungleichmäßigen Überregnung und damit die Notwendigkeit eines dichten Regenschreibermessnetzes zur Erzielung realitätsnaher Berechnungsergebnisse sehr deutlich 524 Vergleich zwischen Modellregen und ungleichmäßiger Überregnung Da die erforderliche Dichte und die zeitliche Ausdehnung von Niederschlagsmessdaten nur selten gegeben ist, muss in vielen Projektgebieten aus der Not heraus mit vereinfachten Niederschlagsbelastungen gearbeitet werden Es war deshalb zu untersuchen, ob sich auch mit Modellregen, die problemlos aus bundesweit verfügbaren Niederschlagshöhenstatistiken abgeleitet werden können, akzeptable Ergebnisse produzieren lassen Setzt man den in der Kanalnetzberechnung üblichen Modellregen als flächendeckend einheitliche Belastung an, ergeben 16

19 Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung bei der hydraulischen Berechnung großer Kanalnetze FACHBEREICH BAUINGENIEURWESEN LZKS MZ 1 gegen LZKS MZ1 3 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 3 [m 3 ] LZKS MZ 1 gegen LZKS MZ1 10 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 10 [m³] y = 0,70x 200 y = 0,47x Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 [m 3 ] Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 [m³] Abbildung 12 Vergleich der Ergebnisse für die Langzeitsimulation über 32 a von MZ 1 mit den Reihen MZ 1 MZ 3 Abbildung 13 Vergleich der Ergebnisse für die Langzeitsimulation über 15 a von MZ 1 (gleichmäßige Überregnung) mit den Reihen MZ 1 3 und 6 10 (ungleichmäßige Überregnung) MR MZ 1 gegen LZKS MZ1 3 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 3 [m³] MR MZ 1 (85%) gegen LZKS MZ1 3 für n = 0,33 Überstauvol Langzeitkontinuum MZ 1 3 [m³] y = 1,01x y = 0,71x Überstauvol Modellregen MZ 1 [m³] Überstauvol Modellregen MZ 1 (85 % abgemind) [m³] Abbildung 14 Vergleich der Ergebnisse für den Modellregen für MZ 1 (gleichmäßige Überregnung) mit den Reihen MZ 1 3 (ungleichmäßige Überregnung) Abbildung 15 Vergleich der Ergebnisse für den abgeminderten Modellregen MZ 1 (85 %, gleichmäßige Überregnung) mit den Reihen MZ 1 3 (ungleichmäßige Überregnung) sich neben der erwarteten Abweichung von durchschnittlich minus 30 % auch Streuungen an einzelnen Schächten, die als nicht zufrieden stellend zu bezeichnen sind Der Modellregen liefert Ergebnisse, die im Schnitt deutlich über den Ergebnissen der Langzeitsimulation mit ungleichmäßiger Überregnung liegen Basierend auf hier nicht weiter ausgeführten Vorüberlegungen wurden verschiedene Abminderungen des Modellregens untersucht Mit einer der untersuchten Varianten erhält man Ergebnisse, die eine akzeptable mittlere Abweichung gegenüber der Langzeitsimulation mit ungleichmäßiger Überregnung aufweisen Die Streuung um die Regressionsgerade ist aber nicht zu unterdrücken 6 Beurteilung und Empfehlung Die vorgenannten Untersuchungen und die erzielten Ergebnisse lassen folgende Aussagen und Empfehlungen als gerechtfertigt erscheinen: Eine Modellkalibrierung mit entsprechenden Messdaten des Niederschlags und des Abflusses sowie die Verwendung eines geeigneten stabilen Kanalnetzberechnungsmodells sind unabhängig von der zu verwendenden Niederschlagsbelastung zwingend notwendig Eine Langzeit-Seriensimulation liefert bei einer auf die Eigenschaften des Kanalnetzes abgestimmten Ereignisdefinition gegenüber einer Langzeit-Kontinuumssimulation vergleichbare Ergebnisse 17

20 QUERSCHNITT 24 Mit den abgeminderten Modellregen konnte zwar eine bessere, aber noch keine zufrieden stellende Übereinstimmung mit den Ergebnissen der ungleichmäßigen Langzeitsimulation erzielt werden Falls jedoch im Projektgebiet gar keine Niederschlagsdaten vorliegen, stellen diese Modellregen gegenüber der bisherigen Praxis eine wesentliche Verbesserung dar Mit nur drei langjährigen Niederschlagsmessstationen im Einzugsgebiet der Stadt Mainz konnten die Auswirkungen der ungleichmäßigen Überregnung zwar deutlich erkannt, aber noch nicht zufrieden stellend beschrieben werden Für große Netze liefert derzeit nur eine hydrodynamische Langzeitsimulation mit ungleichmäßiger Überregnung auf der Basis örtlich gemessener langjähriger Niederschlagsdaten hoher Auflösung wirklichkeitsnahe Berechnungsergebnisse Falls die Datensituation Berechnungen mit Langzeitsimulation und mehreren Niederschlagsreihen zulässt, sollte davon unbedingt Gebrauch gemacht werden Die Planungsleistungen sind wesentlich aufwändiger und müssen deshalb auch zu höheren Ingenieurhonoraren führen Bei dem hier untersuchten Projekt kann der Mehraufwand beim Ingenieurhonorar gegenüber einer konventionellen Planung mit sicherlich beziffert werden Der Nutzen der realitätsnäheren Berechnungsergebnisse und die damit unter Umständen verbundenen Einsparungen bei der Sanierung machen diesen Mehraufwand aber selbst rein monetär betrachtet schnell wieder wett Die Baukosten liegen je nach Kanaldurchmesser und Einbauort zwischen 500 und 1500 für einen Meter Kanal In städtischen Einzugsgebieten entstehen oft auch deutlich höhere Kosten Wenn demnach durch die aufwändigere Planung nur ein einziger Kanalabschnitt mit etwa 50 m Länge nicht ausgewechselt werden muss, dann hat sich das höhere Honorar bereits rentiert Im vorliegenden Projektgebiet ist ein erheblich größeres Einsparpotential festgestellt worden Einschränkend ist aber leider zu sagen, dass die Datensituation in vielen Städten bei weitem nicht so gut ist wie in Mainz und aufgrund der hohen Anforderungen an den planenden Ingenieur und das verwendete Modell die Realität noch anders aussieht Hier könnten aber zumindest Vergleichsberechnungen mit dem wie aufgezeigt abgeminderten Modellregen einen Anhalt liefern, ob die Gefahr einer Überbemessung besteht Danksagung Dem Wirtschaftsbetrieb der Stadt Mainz AdöR sei an dieser Stelle für die Unterstützung vorstehender Untersuchung und die Bereitstellung der Daten herzlich gedankt Literatur 1 Brandt-Gerdes-Sitzmann Wasserwirtschaft GmbH, Hydrau lische Überrechnung des Kanalnetzes von Mainz, Darmstadt, Drechsel, U, Sachgerechte Berücksichtigung der ungleichmäßigen Überregnung zur Durchführung von Simulationsberechnungen im Bereich der Stadtentwässerung, Forschungsbericht, Darmstadt,

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