Flexibilität bietet Sicherheit: Statische und dynamische Lasten - kein Problem mit polymeren Hochlast-Abwasserrohren

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Kasimir Brodbeck
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1 Flexibilität bietet Sicherheit: Statische und dynamische Lasten - kein Problem mit polymeren Hochlast-Abwasserrohren Dipl.-Ing. Guido Kania REHAU AG + Co, Erlangen November 2003 Länge des Abwasserkanalnetzes!... auf öffentlichem Grund in Deutschland: km, somit 11x um die Erde!! Pro Bundesbürger 5,4 m öffentliches Kanalnetz (Stand 1998, Quelle: Statistisches Bundesamt 6/2001)! Privates Entwässerungsnetz: ca. 1,55 Mio km (BDE-Studie 1997)

Steinzeug Beton Guß PVC PP PE GFK Sanierungsbedarf der öffentlichen Kanalisation > 76.

2 PVC 31% Guß 1% Materialaufteilung Bestand Freispiegel-Kanalleitungen PE PP 2% GFK 1% 1% Beton 31% Steinzeug 33% Alle Nennweiten, private und öffentliche Entwässerung (Stand 1997) Steinzeug Beton Guß PVC PP PE GFK Sanierungsbedarf der öffentlichen Kanalisation > km sanierungsbedürftige Kanäle! 17% funktionstüchtig sanierungsbedürftig Quelle: ATV-DWVK %

3 Sanierungsbedarf der öffentlichen Kanalisation!Durchschnittliche Sanierungskosten 590 EUR/m!Gesamt-Sanierungsbedarf in Deutschland: > EUR (45 Mrd. EUR) Quelle: ATV-DWVK 2002 Schadensanalyse und Schadensgruppen Korrosion 0,1 3,9 Schäden an Seitenzuläufen 12,1 29,3 Abflußhindernisse 3,9 7,6 Risse Schäden an Rohrverbindungen 3,4 8, ,3 Beton (77/km) Steinzeug (41/km) Lageabweichungen 8,5 15,2 Quelle: Stein/Kaufmann Schäden pro km Rohrleitung

4 Risse (=23%) 13,0 Schäd./ km 13,3 Schäd./ km Belastungen auf erdverlegte Kanalrohre!Statische Belastung!Dynamische Lasten!Transport und Verlegung!Verfüllen und Verdichten!Hochdruckspülung!Verkehrslasten

Statische Belastung! Rohr und Boden bilden ein Tragsystem! Bemessung gem. ATV- DVWK A 127 (Aug. 2002)!

Dimensionierung:! Spannungs- / Dehnungsnachweis! Tragfähigkeitsnachweis! Verformungsnachweis!

Biegesteife Rohrsysteme sind steifer als der umgebende Boden!

5 Statische Belastung! Rohr und Boden bilden ein Tragsystem! Bemessung gem. ATV- DVWK A 127 (Aug. 2002)! Ruhende Lasten wie Fundamente / Gründungen, Container, Schüttgüter erhöhen die Flächenlast bzw. Bodenpressung! Dimensionierung:! Spannungs- / Dehnungsnachweis! Tragfähigkeitsnachweis! Verformungsnachweis! Stabilitätsnachweis (Beulsicherheit) Unterschiedliches Verhalten biegesteifer und biegeelastischer Rohrsysteme! Biegesteife Rohrsysteme sind steifer als der umgebende Boden! Dadurch permanente Konzentration aller Lasten auf dem Rohrscheitel bzw. Rohrsohle! Biegeleastische Rohrsysteme reagieren auf Lasten mit bewußter, geringer Verformung! Dadurch nahezu lastfrei im Boden

Mögliche Kontrolle nach der Verlegung: Deformationsmessung! Kontrolle der Deformation im verlegtem Zustand ( Kann-Bestimmung nach ATV-DVWK A 139)!

6 Mögliche Kontrolle nach der Verlegung: Deformationsmessung! Kontrolle der Deformation im verlegtem Zustand ( Kann-Bestimmung nach ATV-DVWK A 139)! Entweder mechanische, messende Prüfung im Anschluß an TV- Untersuchung! Alternativ: Optische Vermessung (z.b. auch Laser-Schnitt- Projektion)! Bei biegstarren Rohren Einhaltung des Muffenspaltes zur Kontrolle empfohlen! Mögliche Kontrolle nach der Verlegung: Deformationsmessung Vertikale Verformung [%] 9 Grenzwert nach ATV-DVWK A SN10 Hochlast-Rohrsystem, Mäßige Verdichtung SN10 Hochlast-Rohrsystem, Gute Verdichtung Haltungslänge [m]

Präzision Präzision! Risse, Brüche und Transportschäden sind möglich!

7 Dynamische Belastung: Transport + Verlegung! Transport und Abladen traditioneller Werkstoffe erfordern ein hohes Mass an Sorgfalt und Präzision Dynamische Belastung: Transport + Verlegung! Transport und Abladen traditioneller Werkstoffe erfordern ein hohes Mass an Sorgfalt und Präzision! Risse, Brüche und Transportschäden sind möglich! Hoher Zeitaufwand zur Kontrolle jeder Anlieferung

dynamische Belastungen beim Transport und beim

Baustelle erforderlich Keine Bruchgefahr beim:!

8 Dynamische Belastung: Transport + Verlegung! Auch bei polymeren Rohrsystemen entstehen dynamische Belastungen beim Transport und beim Abladen! Hochschlagzäher Werkstoff! Keine zeitaufwendige Kontrolle auf Transportschäden bei der Anlieferung auf der Baustelle erforderlich Dynamische Belastung: Transport + Verlegung! Keine Bruchgefahr beim:! Transportieren! Abladen! Lagern! Ablassen in den Rohrgraben

Dynamische Belastung: Transport + Verlegung! Ausgereifte Verbindungstechnik:! Schweißen (sh. Vortrag Fa. Friatec),! Längskraftschlüssige Rohrverbindung ohne Dichtmittel!

Clickring fixiert Dichtring (kein Ausschieben)! Enge Toleranzen, kein Sohlsprünge! Wurzelfest und dauerhaft dicht! Prüfdruck 2,5 bar, z.b. für Wasserschutzzonen!

9 Dynamische Belastung: Transport + Verlegung! Ausgereifte Verbindungstechnik:! Schweißen (sh. Vortrag Fa. Friatec),! Längskraftschlüssige Rohrverbindung ohne Dichtmittel! Trockene Umgebungsbedingungen (Zelt, offene Wasserhaltung, Restwasser)! Platzbedarf im Rohrgraben! Zeitfaktor! Hochwertige Steckverbindung (i.d.r. DN110 bis DN500)! Clickring fixiert Dichtring (kein Ausschieben)! Enge Toleranzen, kein Sohlsprünge! Wurzelfest und dauerhaft dicht! Prüfdruck 2,5 bar, z.b. für Wasserschutzzonen! Schnelle und einfache Verlegung Dynamische Belastung: Verfüllen und Verdichten! Jeder Rohrgraben muss verfüllt werden! Bettungsmaterial fällt aus 1-3m Höhe herab! Dynamische Schlagbeanspruchung des Rohrmaterials!

Anzahl der Brüche bei definierten Bedingungen wird gemessen Anzahl der Brüche

10 Dynamische Belastung: Simulation: Kugelfalltest! Fallgewicht fällt aus definierter Höhe auf Rohr hinab! Anzahl der Brüche bei definierten Bedingungen wird gemessen Dynamische Belastung: Simulation: Kugelfalltest! Fallgewicht fällt aus definierter Höhe auf Rohr hinab! Anzahl der Brüche bei definierten Bedingungen wird gemessen

11 Dynamische Belastung: Simulation: Kugelfalltest! Ergebnis:! Vergleich der Schlagenergie Bereits bei 2,3% der Schlagenergie, die ein polyolefines Vollwandrohr problemlos erträgt, bilden sich Risse im Steinzeugrohr! Fallgewicht [kg] Fallhöhe PP Steinzeug [m] Vollwand 1 0,35 Anriss kein Bruch 1 0,5 Scherbenbruch kein Bruch 1 1 Scherbenbruch kein Bruch 7,5 2 - kein Bruch Abmessung: DN150 Temperatur: 21 C 0 C ,43 147,15 Kein Bruch Schlagenergie [J] Steinzeug AWADUKT PP Dynamische Belastung: Hochdruckspülung! Traditionelle Rohrsysteme weisen oft rauhe Innenflächen und Absätze auf! Anhaftungen und Ablagerungen sind möglich! Dadurch häufige Hochdruckspülung erforderlich! Jede HD-Spülung stellt eine dynamische Belastung des Rohrmaterials dar

Dadurch geringe Neigung zu Inkrustationen!

12 Dynamische Belastung: Hochdruckspülung! Polymere Werkstoffe sind dagegen aussen und innen spiegelglatt! Dadurch geringe Neigung zu Inkrustationen! Trotzdem sind polymere Vollwandrohre problemlos hochdruckspülbar, selbst bis 340 bar Dynamische Belastung Verkehrslasten! Jedes Überfahren des verlegten Rohres = ein Lastwechsel! Je flacher das Rohr verlegt, desto größer ist der dynamische Lastanteil

13 Simulation dynamischer Belastung: Dauerschwingversuch! Aufnahme einer Wöhlerkurve (Dauerschwingversuch)! Rohrmaterial: Deutsches Steinzeug nach EN 295, glasiert F max [kn/m] 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 15,00 Ergebnis: Wöhlerkurve Steinzeug 30,00 125,00 Lastwechsel = Statische Belastung 2 20,00 (Ermittlung der Scheiteldruckfestigkeit) Lastverhältnis R = F min /F max = 0.25 bis zum Bruch Durchläufer E7 1E8 Lastwechsel

14 60,00 55,00 50,00 45,00 Ergebnis: Wöhlerkurve Steinzeug F max [kn/m] 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 Schwellbelastung Lastverhältnis R = F min /F max = 0.25 Durchläufer E7 1E8 Bruch bei 944 Lastwechseln Faktor > 2100! Lastwechsel 2 Mio Lastwechsel ohne Bruch 2 Ursachen für große Streubreiten bei Steinzeug! Naturrohstoff Lehm mit schwankender Zusammensetzung! Brennprozess führt zu Spannungen im Werkstoff! Kein homogener Wandaufbau (Einschlüsse, Lunker, Schamotte)! Vergleich: Polyolefiner Vollwandaufbau

15 Simulation dynamischer Belastung: Dauerschwingversuch! Bei polymeren Werkstoffen: Einachsiger Zugschwellversuch bei polymeren Werkstoffen! Prüfung an Probekörpern nach DIN EN ISO Ergebnis: Wöhlerkurve PP Vollwand ohne Füllstoffe F max [kn] 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 Schwellbelastung Zugschwellversuche in Kraftkontrolle f=3 Hz, R=0,2 AWADUKT PP Durchläufer (*) E7 1E8 Lastwechsel 1 Mio bzw. 2,5 Mio Lastwechsel = Faktor 2,5

Sicherheitsreserven von polymeren Rohrsystemen! Keine Rißbildung, auch bei dynamischen Lasten! Kein Versagen durch Bruch selbst bei höchster Beanspruchung und gleichzeitig tiefen Temperaturen Fazit!

16 Sicherheitsreserven von polymeren Rohrsystemen! Keine Rißbildung, auch bei dynamischen Lasten! Kein Versagen durch Bruch selbst bei höchster Beanspruchung und gleichzeitig tiefen Temperaturen Fazit! Auf dem Markt wird eine Vielzahl von zugelassenen, hochwertigen polymeren Kanalrohrsystemen als Alternative zu traditionellen Werkstoffen angeboten! Die Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit der polymeren Rohrsysteme von mindestens 100 Jahren ist nachgewiesen (LAWA-Richtlinie)! Dynamische Lasten werden von polyolefinen Abwasserrohrsystemen besser ertragen als von traditionellen Werkstoffen! Aber: Polymere Rohrsysteme müssen auch richtig dimensioniert und qualifiziert verlegt werden! Eine Vielzahl der bekannten Schäden im Kanalbau (Brüche, Risse, usw.) können mit vollwandigen, polyolefinen Rohrsystemen vermieden werden! Flexibilität und massive Wanddicke = Sicherheit für Generationen!

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