und Holzwerkstoffen im Rohrvortrieb

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1 28 Rohrvortrieb Auf dem Prüfstand Vortriebsrohr DN2800 mit zweilagigem OSB-Druckübertragungsring auf dem Rohrspiegel Druckübertragungsringe aus Holz und Holzwerkstoffen im Rohrvortrieb In einer Versuchsreihe des Lehrstuhls und Instituts für Baubetrieb und Projektmanagement (IBP) der RWTH Aachen University wurde die Eignung des Holzwerkstoffs elka strong board (esb) als neuartiges Fugenzwischenlagenmaterial im Rohrvortrieb untersucht. Von Markus Kirchhartz und Friederike Ufermann* Ein wesentliches Ziel von Forschung und Entwicklung beim Rohrvortrieb ist es, das Bauverfahren durch eine Minimierung von Schadensrisiken zunehmend sicherer zu ge stalten. Die Optimierung der Kraftübertragung in den Rohrfugen stellt in diesem Kontext einen wesentlichen Ansatzpunkt dar. Neben den konventionellen Druckübertragungsringen aus Holzwerkstoffen existieren inzwischen alternative Materialien und Methoden zur verbesserten Übertragung der Vortriebskräfte in der Rohrverbindung. Der Rohrvortrieb als Verfahren zur grabenlosen Erstellung von Leitungsbauwerken gewinnt auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten gegenüber der offenen Bauweise immer mehr an Bedeutung. Durch eine hohe Qualität der Vortriebsrohre kann eine lange Lebensdauer des fertigen Leitungsbauwerks sichergestellt werden. Trotz einer normenkonformen Dimensionierung kommt es während des Einbauprozesses jedoch vergleichsweise häufig zu Schäden an den Vortriebsrohren. Diese lassen sich insbesondere auf eine Überschreitung der Festigkeit des Rohrwerkstoffs infolge von hohen Presskräften bei gleichzeitig größeren Fugenverwinkelungen zurückführen. 1 Ur- 1 Bohle, U., Bestimmung der Beanspruchung keramischer Vortriebsrohre im Bauzustand unter Verwendung von Druckübertragungsringen aus Kunststoff, 2010, S. 57.

2 Rohrvortrieb 29 sächlich hierfür ist das spezifische Materialverhalten der eingesetzten Druckübertragungsmaterialien. Eine Optimierung der Druckkraftübertragung von Rohr zu Rohr durch geeignete Fugenzwischenlagenmaterialien kann das Auftreten dieser Schäden verringern. Anforderungen an Fugenzwischenlagenmaterialien gem. DWA-A 125 Schadensbilder an Vortriebsrohren aus Stahlbeton Die Vortriebsrohre werden sowohl im Bau- als auch im Betriebszustand in Längs- sowie Querrichtung belastet. Dabei ist zwischen inneren und äußeren Einwirkungen zu unterscheiden. Die maßgeblichen Belastungen während des Einbauzustandes resultieren aus Vorpresskräften der Haupt- und Zwischenpressstationen sowie Steuerbewegungen und beanspruchen die Rohre hauptsächlich in Längsrichtung. In der Betriebsphase ist die Querbelastung des Leitungsbauwerks maßgebend zu berücksichtigen. Exemplarisch anzuführen sind Einwirkungen, die aus dem Eigengewicht des Leitungsbauwerks sowie Erdlasten entstehen. Die Eigenschaften und die Formgebung der unterschiedlichen Druckübertragungsmittel beeinflussen die mögliche Belastbarkeit der Vortriebsrohre während des Einpressvorgangs grundlegend. Folglich müssen diese bestimmte Eigenschaften aufweisen, um den charakteristischen Anforderungen an Fugenzwischenlagenmaterialien gerecht zu werden. Gemäß des Arbeitsblattes DWA-A 125 der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. müssen Druckübertragungsringe dementsprechend folgende Aufgaben erfüllen: - Ausgleich der Unebenheiten in den Rohrspiegelflächen - Ausgleich der Abweichungen von der Rechtwinkligkeit - Sicherstellung der Abwinkelbarkeit bei Kurvenfahrten - Sicherstellung der Abwinkelbarkeit bei Steuerbewegungen. 2 Infolgedessen sollten geeignete Materialien und Methoden zur Druckkraftübertragung in den Rohrfugen neben einer ausgeprägten dauerelastischen Verformungseigenschaft eine geringe plastische Deformation unter Druckbeanspruchung aufweisen. So kann die Fähigkeit des Druckübertragungsmittels, die auftretenden Vortriebskräfte sicher zu übertragen durch 2 Vgl.: DWA-A 125, S PROZENT NATUR. NULL MÜLL. CRADLE TO CRADLE Kennen Sie schon Cradle to Cradle? Unsere Produkte sind zertifiziert. Ein Produktkreislauf mit Zukunft und ein Gedanke, den wir seit Beginn unserer Rohr- und Formstückproduktion konsequent leben: aus voller Überzeugung. Damit hat sich Steinzeug- Keramo zum Vorreiter einer Entwicklung gemacht, deren praktische Umsetzung jetzt mit einem Zertifikat bestätigt wird. Cradle to Cradle : Auf der Basis dieses Gedankens stellen wir nach europäischen Standards Produkte her, die in der ganzen Welt begehrt sind, sichern damit Produktionsstandorte und Arbeitsplätze in Europa. Steinzeug-Keramo. Inspired by Nature.

3 30 Rohrvortrieb Draufsicht und Profilansicht jeweils vor (links) und nach (rechts) der zyklischen Be- und Entlastung (Standardprüfung) der Firma elka Holzwerke GmbH. Dieser besteht aus länglichen Frischholzspänen mit einer homogenen Spangröße aus meist heimischem Fichtenholz, wodurch eine hohe Qualität des Werkstoffs erreicht wird. 3 Den Ausgangspunkt für die durchgeführte Untersuchungsreihe bilden die laut Herstellerangaben günstigeren Werte der Festigkeit und der Elastizitätsmoduln gegenüber OSB. Zudem stellt der potenzielle Kostenvorteil von esb gegenüber OSB bei der Verwendung als Fugenzwischenlagenmaterial einen aus wirtschaftlicher Sicht interessanten Aspekt dar. Ziel und Durchführung der Materialprüfung Möglichkeit zum direkten Vergleich der tatsächlichen mit den geplanten Werten bei Anwendung von Online Load Control (hier Produktbeispiel der INKA GmbH) ein ausreichendes elastisch-plastisches Verformungsvermögen des Werkstoffes während des gesamten Vortriebsprozesses sichergestellt werden. Aus der Querdehnung des Materials resultiert eine zusätzliche Belastung durch Querzugspannungen. Folglich ist eine möglichst geringe Querverformung bei der Auswahl eines geeigneten Fugenzwischenlagenmaterials ebenfalls zu beachten. Neben den materialspezifischen Anforderungen stellen letztlich die Wirtschaftlichkeit und Handhabung bei der Entscheidung für ein Druckübertragungsmittel den zentralen Aspekt dar. Konventionelle Fugenzwischenlagen Der Einsatz von herkömmlichen Druckübertragungsringen aus Vollholzplatten ist gegenwärtig durch den Einsatz der Holzwerkstoffe Spanplatte (V100) und Oriented Strong Board (OSB) substituiert worden. Neben den wirtschaftlichen Vorzügen dieser Werkstoffe ist der vergleichsweise geringe plastische und höhere elastische Verformungsanteil unter Druckbelastung ausschlaggebend für die breite Anwendung als Druckübertragungsmittel im Rohrvortrieb. Ein weiterer Vorteil dieser Materialien ist die geringe Querdehnung unter Druckbelastung. Versuchsreihe mit esb elka strong board P5 Bei den im Rahmen der durchgeführten Materialprüfung am Lehrstuhl und Institut für Baubetrieb und Projektmanagement der RWTH Aachen University untersuchten Probestücken handelt es sich um den Holzwerkstoff elka strong board P5 Das Ziel der Materialprüfung ist es, die Eigenschaften von esb zu untersuchen und damit eine Einschätzung bzgl. der Eignung des Holzwerkstoffes für den Einsatz als Druckübertragungsmittel im Rohrvortrieb zu erhalten. Dazu werden gemäß dem aktuell gültigen Arbeitsblatt DWA-A 161 Statische Berechnung von Vortriebsrohren zunächst Standardprüfungen sowohl an einlagigen als auch an zweilagigen kreisrunden Probekörpern unterschiedlicher Materialstärken durchgeführt. Die Auswertung dieser zyklischen Be- und Entlastungen veranschaulicht das charakteristische Druckspannungs-Stauchungsverhalten des geprüften Materials. Anschließend werden die gewonnenen Kenngrößen für die Berechnung der zulässigen Vorpresskraft gemäß DWA-A 161 herangezogen. Eine Gegenüberstellung mit den Ergebnissen bereits durchgeführter Standardprüfungen übriger Holzwerkstoffe (OSB, Span und Vollholz) ermöglicht einen ersten materialspezifischen Vergleich und eine Beurteilung der Einsatzgrenzen von elka strong board beim Rohrvortrieb in der Praxis. Für die Beurteilung 3 Quelle: html (Produktinformation).

4 Rohrvortrieb 31 des materialspezifischen Verhaltens bei Feuchtigkeit und für detailliertere Aussagen bzgl. der Querdehnung unter Krafteinleitung sind darüber hinaus gehende weitere Versuche erforderlich. a) Standardprüfung gemäß DWA-A 161 Die Ergebnisse der durchgeführten Standardprüfungen sind Angaben zum elastischen und plastischen Verformungsverhalten der untersuchten Proben. Diese sind ähnlich den übrigen Holzwerkstoffen abhängig von der Höhe und Anzahl der Druckbelastungen was sich in einem nicht-linearen Verlauf des Druckspannungs-Stauchungsdiagramms zeigt. Die in dem für den Rohrvortrieb signifikanten Druckspannungsbereich zwischen N/mm² erreichte maximale Gesamtstauchung beträgt zwischen % bezogen auf die jeweilige Ausgangsdicke der Prüfkörper. Diese Gesamtstauchung teilt sich in einen elastischen Anteil εel von ca % und einen plastischen Anteil εpl von etwa % auf. Während die plastische Verformung mit zunehmender Belastung steigt, verhält sich die elastische Verformung dieses Materials nahezu konstant. Zu erkennen ist eine zunehmende Verfestigung des Materials. Eine signifikante Querverformung sowie Rissbildung der esb-proben ist nicht beobachtbar. Ein Vergleich mit den Ergebnissen bereits durchgeführter Standardprüfungen von OSB- Platten zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften der esb-prüfkörper in etwa den elastischen und plastischen Verformungseigenschaften einer OSB-Platte entsprechen. Ergebnisse der Standardprüfung: Plastische Verformung unter zyklischer Belastung b) Berechnung der maximal zulässigen Vorpresskraft Im Rahmen einer exemplarischen Berechnung zur Bestimmung der maximal zulässigen Vorpresskraft nach DWA-A 161 wurden unterschiedliche Vortriebssituationen modelliert. In der Auswertung wurden dazu Rohr-, Druckübertragungsring- und Trassenparameter variiert, so dass als Ergebnis Vergleichswerte generiert werden konnten. Die Gegenüberstellung zeigt deutlich, dass die zulässigen Vorpresskräfte der esb-platte in ihrer Größenordnung mit den Kennwerten von Span- und OSB- Platte annähernd vergleichbar sind. Ebenso ist, analog zu den übrigen Holzwerkstoffen, die Tendenz zu beobachten, dass mit einer geringeren Schichtdicke und/oder größeren Fugenverwinklungen (als Resultat planmäßiger und unplanmäßiger Verwinklungen) eine zunehmende Reduktion der maximal zulässigen Vorpresskraft verbunden ist. Exemplarische Ermittlung der maximal zulässigen Vorpresskraft gem. Vorbemessung nach DWA-A 161 Der Vergleich der zulässigen Vorpresskräfte macht deutlich, dass sich der Holzwerkstoff esb-p5 als Fugenzwischenlagenmaterial im Rohrvortrieb aufgrund seiner materialtechnischen Eigenschaften grundsätzlich gut eignet. Die Resultate der Untersuchungen zeigen jedoch ebenfalls auf, dass die Wirksamkeit von Holz bzw. Holzwerkstoffen als Fugenzwischenlagenmaterial beim Rohrvortrieb eingeschränkt ist. Die Eigenschaft eines Druckübertragungsrings aus Holzwerkstoffen, die auftretenden Druckkräfte durch eine Vergrößerung der lastübertragenden Fläche zuverlässig auf die Rohrspiegelflächen zu übertragen, geht durch eine zunehmende Verfestigung des Materials unter hoher Druckbeanspruchung zunehmend verloren. Zusammenfassung und Ausblick Als Druckübertragungsmittel im Rohrvortrieb haben sich in der Vergangenheit Holz und Holzwerkstoffe besonders wegen ihrer geringen Querverformung und aus wirtschaftlichen

5 32 Rohrvortrieb *Autoren: Markus Kirchhartz, M. Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl und Institut für Baubetrieb und Projektmanagement der RWTH Aachen University Gesichtspunkten durchsetzen können. Da Druckübertragungsringe aus Vollholz jedoch einen höheren plastischen Verformungsanteil und ein niedriges elastisches Materialverhalten aufweisen, ist aus statischer Sicht der Einsatz von OSB- und Spanplatte zu bevorzugen. Ein Einsatz des untersuchten neuartigen Holzwerkstoffs esb ist sowohl aus statischen als auch ggf. aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine Alternative zu den bisher eingesetzten Holzwerkstoffen Spanplatte (V100) und OSB. Es ist davon auszugehen, dass diese Materialien beim Rohrvortrieb auch in Zukunft in erster Linie zur Anwendung kommen. Um das mit dem Einsatz dieser Materialien verbundene Schadensrisiko auf ein Minimum zu reduzieren, ist der kombinierte Einsatz von Fugenzwischenlagen aus Holzwerkstoffen und modernen vortriebsbegleitenden Messsystemen, insbesondere bei komplexen Trassierungen und langen Vortriebsabschnitten, ein zukunftsweisender Lösungsansatz. Mit Hilfe von Qualitätssicherungssystemen wie beispielsweise dem Online Load Control OLC lassen sich Schäden an Vortriebsrohren vermeiden. Es besteht somit zu jedem Zeitpunkt Kenntnis über die maximal zulässige Vorpresskraft, so dass eine Überschreitung der Druckfestigkeit des Rohrwerkstoffes frühzeitig vermieden und Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden können. Alle Projektbeteiligten haben hiermit die Möglichkeit, die gemessenen IST-Daten mit den Soll-Daten aus der Planung online zu vergleichen. Den mit dem Einsatz des Sicherungssystems verbundenen minimalen Kosten stehen Effizienzvorteile gegenüber, die die Einsatzkosten meist um ein Vielfaches übersteigen. Auch technisch anspruchsvolle Alternativen zur optimierten Druckkraftübertragung in der Rohrfuge haben bereits Zugang in die Praxis gefunden. Mit diesen alternativen Materialien und Methoden ist jedoch ein erheblicher Aufwand verbunden, der sich primär in den erhöhten Fertigungskosten niederschlägt. Auch hier muss je nach spezifischer Vortriebssituation in- Friederike Ufermann, B. Sc., Studentische Hilfskraft am Lehrstuhl und Institut für Baubetrieb und Projektmanagement der RWTH Aachen University dividuell abgewogen werden, ob die wirtschaftlichen Vorteile die hohen Kosten kompensieren können. Es wird daher auch in Zukunft schwierig sein, ein universell geeignetes Material oder Methode zur Druckübertragung in der Rohrfuge ausfindig zu machen, da die charakteristischen Beanspruchungen je nach Vortriebsmaßnahme stark variieren und die Entscheidung für oder gegen ein Konzept von einer Vielzahl verschiedener Faktoren abhängt.