Der Schlauchliner als statisch tragendes Element. Dr.-Ing. Heinz Doll TÜV Rheinland LGA Bautechnik GmbH

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1 Der Schlauchliner als statisch tragendes Element Dr.-Ing. Heinz Doll

2 Inhalt ATV-M und Entwurf des DWA-A im Vergleich - Anwendungsvoraussetzungen und Anwendungsgrenzen - Altrohrzustände, Imperfektionsansätze - Materialkennwerte von Linerwerkstoffen - Sicherheitskonzept, Lastansätze, Nachweisführung - Nachweis der Gelenkdruckkräfte Beanspruchungen von Schlauchlinern infolge von Erd- und Verkehrslasten - Einfluss der Linersteifigkeit auf das Tragverhalten des Gesamtsystems bei Altrohrzustand III - Einfluss der Linersteifigkeit auf das Tragverhalten des Gesamtsystems bei Altrohrzustand IIIa (Analogie zu erdverlegten Rohren)

3 Definition des Altrohrzustandes gem. DWA -A Altrohrzustand I: Altrohrzustand II: Altrohrzustand III: Altrohr allein tragfähig, Undichtigkeiten in Rohrverbindung, Wandung; keine Risse ausgenommen Haarrisse Altrohr-Bodensystem allein tragfähig (z.b. Längsrisse mit geringer Rohrverformung δv < ca. 6 %) bei überprüfter funktionsfähiger seitlicher Bettung. Bestätigt z.b. durch Langzeitbeobachtungen und/oder Rammsondierungen) Rohr-Bodensystem langzeitig allein nicht mehr tragfähig, z.b. Längsrisse mit deutlichen Rohrverformungen δv ca. 6 %); gegenüber Altrohrzustand II wird der Liner auch durch Erd- und Verkehrslasten beansprucht Altrohrzustand IIIa: Wie Altrohrzustand III, jedoch ist in den Altrohrkämpfern keine Kraftübertragung mehr möglich, z.b. aufgrund mangelhafter Druckfestigkeit des Betons oder des Mauerwerks neu im Entwurf des DWA-A aber: in der Endfassung vermutlich nur im Anhang ohne normativen Charakter

4 Beispiel zu Altrohrzustand IIIa ca 20 bis 30 mm Versuch einer Bohrkernentnahme aus einem begehbaren, maulförmigen Querschnitt tragende Wanddicke: 20 bis 30 mm, dahinter: leicht zu entnehmender Kies Sperrung der GOK für Verkehrslasten Kurzfristiger Einbau einer Stahlinnenauskleidung zur Sicherung

5 Sicherheitskonzept des ATV-M 127-2: globale Sicherheiten Werkstoff Altrohrzustand Belastung(en) Versagen durch Bruch erf.γ bz, erf.γ bd Versagen durch Instabilität erf.γ I bei Az. I und Az. II: globale Sicherheit γ = 2,0 Kunststoff Faserzement I bis III I bis III III p a, g L T > 0, q v 2,0 2,0 1,5 1,5 Stahl I bis III alle 1,5 2,0 Steinzeug I bis III alle 2,2 - bei Az. III: globale Sicherheit γ = 1,5 Hinweis: gem. DIBt-Zul. meist ebenfalls γ = 2,

6 Sicherheitskonzept des DWA -A 143-2: Teilsicherheiten Einwirkung γ F Ständige Lasten (G) 1,35 (Erdlasten, Eigenlast, ggf. Oberflächenlast, konzentrierte Flächenlasten) Veränderliche Lasten (Q) 1,50 (Verkehrslasten, Grundwasser usw.) Kurzzeitiges Hochwasser (bei Ansatz des Langzeit-E-Moduls) 1,1 Rohrwerkstoff γ M Kunststoffliner, im Kanal ausgehärtet 1,35 Kunststoffliner, im Werk gefertigt (Extrusion und andere Verfahren) 1,25 Einwirkung in Kombination mit ψ Temperaturänderungen in Kombination mit Wasseraußendruck 0,7 Vorhandener Wasseraußendruck in Kombination mit Erd- und 0,9 Verkehrslasten Ersatzlast für Wasseraußendruck in Kombination mit Erd- und 0,7 Verkehrslasten Zahlreiche mögliche Kombinationen von Teilsicherheiten; Automatisierung der Lastfallermittlung und Berechnung durch EDV-Programm [4] Eigengewicht des Liners ist meist nicht relevant bei Az. II: γ F γ M = 1,5 1,35 = 2,025 2,0 bei Az. III, Erdlasten: γ F γ M = 1,35 1,35 = 1,82 bisher 1,5 bei Az. III, Verkehr: γ F γ M = 1,5 1,35 2,0 bisher 1,

7 Beispiel DN 1200 nach ATV-M und DWA-A Parameter: DN 1200, Az II, Standardimperfektionen, h W,So = 4,5 m ATV-M E L = 5500 N/mm² σ L = 95 N/mm² s L = 12,1 mm Ergebnisse Regelstatik (FEM): σ Z (2p) = 61,5 N/mm² < σ L = 95 N/mm² σ D (2p) = 72,8 N/mm² < σ L = 95 N/mm² v el (p) = 21 mm = 1,77 % γ I > erf.γ I = 2,0 72,8/95 = 0,77 56,5/70,4 = 0,8 DWA-A 143-2, Entwurf E L,d = 5500/1,35 = 4074 N/mm² σ L,d = 95/1,35 = 70,4 N/mm² s L = 12,1 mm Ergebnisse (FEM): σ Z (1,5p) = 47,9 N/mm² < σ L,d = 70,4 N/mm² σ D (1,5p) = 56,5 N/mm² < σ L,d = 70,4N/mm² v el (p) = 21 mm = 1,77 % γ I > erf.γ I = 1,5 Gem. dem Entwurf der DWA- A wird der Verformungsnachweis mit γ F = γ M = 1,0 geführt. daher identische Ergebnisse

8 Nachweis der Gelenkdruckkräfte Wirkungslinie der Spannungsresultierenden erzwungene Wirkungslinie infolge Gelenkexzentrizität Wirkungslinien aus Spannungsresultierender und infolge des Gelenkansatzes sind identisch σ D,1 D D σ D,2 D 0,43 t 0,2 t 0,25 t D 0,67 t 0,25 t t t Gelenkdruckkraft: D Altrohrwanddicke: t Gelenkexzentrizität: e G = 0,25 t Druckzonenbreite: b D = 0,2 t Randspannung: a) Druckspannungsansatz gem. Falter, Hoch, Wagner [5] σ D,1 = 2 D / (0,2 t) = 10 D Gelenkdruckkraft: D Altrohrwanddicke: t Gelenkexzentrizität: e G = 0,25 t (hier gew.) Druckzonenbreite: b D = 0,67 t Randspannung: σ D,2 = 1,5 D/b D = 2,23 D b) Druckspannungsansatz gem. DWA-A [2]

9 Vorteile des Druckspannungsansatzes gem. DWA-A Der parabelförmige Verlauf der Druckspannungen entspricht besser den Ansätzen anderer bautechnischer Normen z.b. Beton- und Stahlbetonbau - Die Kraftresultierende, die sich aus der Integration der Spannungsfläche ergibt, verläuft durch den Gelenkpunkt. Es ergeben sich somit keine Unstimmigkeiten in der Modellbildung - Gegenüber der bisherigen Vorgehensweise (Falter, Hoch, Wagner [5]) ergibt sich eine erhebliche Spannungsreduktion. Im Beispiel (Gelenkexzentrizität ¼ der Altrohrwanddicke) mindert sich die Randspannung von σd,1 = 10 D auf σd,2 = 2,23 D ab (D: Gelenkdruckkraft). Dies entspricht einer Spannungsminderung auf 22,3 % des Wertes gem. Falter, Hoch, Wagner [5] bzw. einer Erhöhung der Sicherheit um den Faktor 4,

10 Weitere wesentliche Neuerungen in DWA-A Aufnahme einer Werkstofftabelle (Linermaterialien) - Ergänzung der Imperfektionsansätze für weitere Verfahren und für weitere Querschnittsformen - Aufnahme von Verkehrslastansätzen (Straßenverkehr) in Diagrammform; - Forderung des Dauerschwingnachweises auch bei Straßenverkehrslasten bei Überdeckungshöhen kleiner 1,5 m Hierzu müssen für die meisten Produkte zunächst die entsprechenden Materialkennwerte (Schwingfestigkeit) ermittelt werden

11 Der Schlauchliner als statisch tragendes Element Forderung der Dimensionierung des Liners zur Aufnahme aller Lasten Die Forderung zielt insbesondere auf die Abtragung der Erd- und Verkehrslasten. ATV-M 127-2: Die Bemessungsregeln gelten für die Bau- und Betriebszustände. Es werden nur standsichere Altrohr- Bodensysteme behandelt. Frage: Welche mittragende Wirkung haben Schlauchliner bei den Altrohrzuständen III und IIIa

12 Altrohrzustand III: Definition, Einflussgrößen Definition: Einflussgrößen: p E + p V a) E-Modul E L und Geometrie r L /s L analog zu Altrohrzustand II p a b) Grundwasserdruck p a wie bei Altrohrzustand II c) Erdlasten: Überdeckungshöhen h max, h min d) Verkehrslast p V, wiederum von der Überdeckungshöhe abhängig Altrohrzustand III: Das Altrohr-Boden-System weist keine ausreichende Standsicherheit auf. Es sind deutliche Deformationen eingetreten. e) Horizontale Bettungssteifigkeit des Bodens neben dem Rohr E

13 Altrohrzustand III: Zusammenwirken von Altrohr-Boden- System und Liner pe + pv pe + pv H H = H H F1 pe: vertikale Erdlast pv: Verkehrslast H: horiz. Erddruck; Stützkraft + F2 F2 F2 F2 F: Kontaktkräfte Altrohr/Liner F1: Last F2: Stützung F

14 Exkurs zu Zwangsbeanspruchungen Beispiel: zwangsverformter Biegebalken F1 bzw. F2 s1 bzw. s2l l Betrachtung einer Platte der Stützweite l und der Plattendicke s1 sowie s2 = 2 s1 unter Einzellast in der Feldmitte also: Untersuchung der Auswirkung einer Verdopplung der Plattendicke Ziel: Ermittlung der Kräfte F1 und F2, bei denen beide Platten die gleiche Durchbiegung in Feldmitte erfahren sowie Ermittlung der zugehörigen Spannungen in den Platten

15 Exkurs zu Zwangsbeanspruchungen Beispiel: zwangsverformter Biegebalken F1 bzw. F2 s1 bzw. s2l l f Beide Platten (Wanddicke s1 und s2) erfahren die gleiche Durchbiegung f in Feldmitte. Kraftermittlung:

16 Exkurs zu Zwangsbeanspruchungen Beispiel: zwangsverformter Biegebalken Ermittlung der maximalen Biegemomente: mit Spannungsermittlung: Wanddickenverdopplung führt bei Zwang zur Verdopplung der Spannung

17 Tragverhalten eines Schlauchliners DN 500 bei Az. III; Parameteruntersuchung am Beispiel eines GfK-Liners Eingangsparameter: Nennweite: DN 500 Altrohrzustand: III Altrohrwanddicke: 50 mm Erdüberdeckung: Verkehrslast: E2-Modul (Variante a): E2-Modul (Variante b): horiz. Erddruckbeiwert: Linerwerkstoff: Langzeit-E-Modul: Langzeitfestigkeit: Linerwanddicke: h = 4,0 m Schwerlastverkehr E2(a) = 5 N/mm² E2(b) = 3 N/mm² K2 = 0,2III GfK EL = 7500 N/mm² σl = 120 N/mm² sl = variabler Parameter

18 Tragverhalten eines Schlauchliners DN 500 bei Az. III; Parameteruntersuchung am Beispiel eines GfK-Liners σ L,max bei s L = 9 mm σ L [N/mm²] σ L,max bei s L = 11 mm Linerwanddicke s L [mm]

19 Bestätigung der Zwangswirkung im Großversuch zu Az III; Rissbilder in zwei Linerproben s L = 9 mm s L = 18 mm Gleiche Einbaubedingungen, gleiche Belastung, gleiche Verformungen

20 Kontaktdruckproblematik Altrohr/Liner F1 F2 F2 Ablösung F2 F2 F1 Der Grund für die relativ schlechte austeifende Wirkung des Liners bei normalen Linerwanddicken liegt in den Ablösungen zwischen Liner und Altrohr und somit der geringen Bettungswirkung des Altrohres F: Kontaktkräfte Altrohr/Liner F1: Last F2: Stützung

21 Tragverhalten eines Schlauchliners DN 500 bei Az. III; Parameteruntersuchung am Beispiel eines GfK-Liners - Bei Altrohrzustand III wird automatisch eine mittragende Wirkung des Altrohr- Boden-Systems in der Modellbildung berücksichtigt - Das Gesamtsystem besteht aus zwei Tragkomponenten: a) Erdgebetteter Gelenkring (Altrohr), Abgabe des Horizontalschubes an den Baugrund b) Im Altrohr platzierter Liner, reine Druckkraft keine Schubkraft- und keine Zugkraftübertragung zwischen Liner und Altrohr - Im Bereich geringer bis üblicher Linersteifigkeiten ergeben sich nahezu reine Zwangsspannungen in der Linerwandung. Mit zunehmender Wanddicke nimmt auch die Linerspannung zu. Der Liner liefert nahezu keine Aussteifungswirkung. - Im Bereich hoher Linersteifigkeiten zeigt sich eine mittragende Wirkung des Liners. Mit zunehmender Linerwanddicke nimmt die Linerspannung ab. - Mit abnehmender Bettungssteifigkeit sinkt die zur Erzielung einer signifikanten Aussteifungswirkung erforderliche Linersteifigkeit

22 Tragverhalten eines Schlauchliners DN 500 bei Az. IIIa; Berechnung als erdgebettetes Rohr gem. ATV-DVWK-A 127 Parameteruntersuchung am Beispiel eines GfK-Liners Eingangsparameter: Nennweite: DN 500 Erdüberdeckung: Verkehrslast: Verformungsmodul: Linerwerkstoff: Langzeit-E-Modul: Langzeitfestigkeit: Linerwanddicke: h = 4,0 m Schwerlastverkehr E1 = 5 N/mm² E2 = 5 N/mm² E3 = 5 N/mm² E4 = 10 E1 GfK EL = 7500 N/mm² σl = 120 N/mm² sl = variabler Parameter

23 Tragverhalten eines Schlauchliners bei Az. IIIa; Parameteruntersuchung am Beispiel eines GfK-Liners unzulässiger Bereich, da gem. DWA-A 127 Unterschreitung der Mindeststeifigkeit σ L [N/mm²] Gegenüber Az III-Berechnung unsicherer Bereich Linerwanddicke s L [mm]

24 Tragverhalten eines Schlauchliners DN 500 bei Az. IIIa; Parameteruntersuchung am Beispiel eines GfK-Liners - Bei Altrohrzustand IIIa handelt es sich um eine Sonderfallbetrachtung; Beschreibung vermutlich im Anhang des DWA-A 143-2, vermutlich ohne normativen Charakter - Die Berechnung erfolgt offensichtlich als erdgebettetes Rohr (Altrohr als Boden interpretiert) Mit zunehmender Linerwanddicke nimmt die Linerbeanspruchung (Spannung) ab. - Die Berechnung unter Ansatz von Altrohrzustand IIIa muss nicht auf der sicheren Seite liegen. U.U. sind die Zwangsbeanspruchungen bei Az III maßgebend. Bei Altrohrzustand IIIa sollte immer eine Vergleichsberechnung unter Ansatz von Altrohrzustand III durchgeführt werden!

25 Literatur [1] ATV-M 127-2: Statische Berechnung zur Sanierung von Abwasserkanälen und -leitungen mit Lining- und Montageverfahren; Januar 2000 [2] DWA-A (Entwurf): Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden; Teil 2: Statische Berechnung zur Sanierung von Abwasserleitungen und -kanälen mit Liningund Montageverfahren; November 2012 [3] DWA-M 144-3: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen (ZTV) für die Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden; Teil 3: Renovierung mit Schlauchliningverfahren (vor Ort härtendes Schlauchlining) für Abwasserkanäle; November 2012 [4] Beckmann, Kohler: Altrohrzustand III und Grundwasser: Nachweiskonzept für Liner in nicht dauerhaft standsicheren Kanälen; 3R, Heft , Seite [5] Falter, Hoch, Wagner: Hinweise und Kommentare zur Anwendung des Merkblattes ATV-DVWK-A für die statische Berechnung von Linern; Korrespondenz Abwasser 2003, Seite [6] Ohde: Grundbaumechanik Hütte, Bd. III, 27. Auflage, S. 886 ff,

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!