Grundlagen der hydraulischen Bemessung

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1 Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute Association suisse des professionnels de la protection des eaux Associazione svizzera dei professionisti della protezione delle acque Swiss Water Association Rapperswil, 20./21. MAI 2015 Bild einfügen (Platzhalter über Folienmaster löschen) Grundlagen der hydraulischen Bemessung Rapperswil, 20./21. Mai 2015

2 Ziele des Vortrags Vorstellen der Hydraulik in der SIA 190 Sensibilisierung für die Thematik «Hydraulik» Bekannte Probleme aufzeigen Praktische Beispiele beschreiben (mit etwas Theorie) Lösungen/Stand der Technik Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 2

3 Abwasserhydraulik Realität Abwasserhydraulik Phasen fest flüssig - gasförmig flüssig (- gasförmig) Dimensionalität 3-D (meist) 1-D Fliesszustände strömend/schiessend strömend/schiessend Strömung laminar/turbulent turbulent Komplexität hoch vereinfacht Gleichungen physikalisch (semi)-empirisch Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 3

4 Hydraulische Bemessung gemäss SIA 190 Allgemeine Vorgaben: Minimale Fliessgeschwindigkeit grösser 0.6 m/s ( Ablagerungen) Maximale Fliessgeschwindigkeit kleiner 6 m/s ( Luftaufnahme/Abrasion) Minimale Rohr-Durchmesser DN 300 (Mischsystem) / DN 250 (Trennsystem) Maximale Teilfüllung h/d < 0.85 ( Zuschlagen/Rückstau/Druckabfluss) Massgebende Abflüsse Gemäss «Generelle Entwässerungsplanung (GEP)» Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 4

5 Normalabfluss in der SIA 190 Standard für hydraulische Dimensionierung im Freispiegelabfluss Definition Energiegefälle = Sohlgefälle (paralleler Wasserspiegel) Konstante Abflusstiefe und Fliessgeschwindigkeit Treibende Kräfte = rückhaltenden Kräfte Idealzustand («Theoretisches Konstrukt») in Realität (fast) nicht anzutreffen Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 5

6 Normalabfluss (Fliessformeln) Fliessformeln Prandtl-Colebrook-White (Standard) Q = 2 8 g R hyd J S log k B 2.51 ν + *A 14.8 R hyd 4 8 g R 2 hyd J S Manning-Gauckler-Strickler (für einfache Verhältnisse) Q Q = K J S 1/2 * R hyd 2/3 A Q Durchfluss [m 3 /s] R hyd Hyraulischer Radius [m] JS Sohlgefälle [m/m] A Querschnittfläche [m 2 ] ν Kinematische Viskosität [m 2 /s] g Erdbeschleunigung [m/s 2 ] k B Rauigkeitsbeiwert [m] K Strickler-Beiwert [m 1/3 /s] Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 6

7 Betriebliche Rauigkeit Leitung Rauigkeitsbeiwert k B [mm] Stricklerbeiwert K [m 1/3 /s] Druckleitung (ohne Schächte/Anschlüsse) Kreisförmiger Kanal (mit Schächten/Anschlüssen) Leitung aus nicht genormten Rohren Leitung mit direkten Anschlüssen zwischen Schächten Rechteckkanal in Beton > 1.7 < 75 Gegliederter oder asymmetrischer Querschnitt > 2.6 < 70 Grenzen für Strickler-Beiwerte (Hager, 1999) 18 < K < 87 und K < 170(J S2 Q) 1/30 Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 7

8 Trockenwetterabfluss Allgemein Minimale Fliessgeschwindigkeit Minimale Schubspannung Luftaufnahme ab 4 m/s Anfangsstrecken J S > 10 Trockenwetterrinne Überspülung ab 3*QTW Bankettneigung 10% Unterhalt beachten! Innendurchmesser Rohr Minimale Fliessgeschwindigkeit < 400 m 0.6 m/s mm 0.8 m/s > 1000 mm 1.0 m/s Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 8

9 Schiessender / Strömender Abfluss Strömend (Fr < 1) c-v c+v Froude-Zahl (Fr): Fr = v c = v gh Schiessend (Fr > 1) Störung c+v v = Fliessgeschwindigkeit c = Wellengeschwindigkeit h = Wassertiefe Fr = 1 kritischer Abfluss stromaufwärts stromabwärts Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 9

10 Problematik schiessender Abfluss Schiessender Abfluss ist sehr häufig (kritisches Gefälle ~ 3-7 ) Jede schiessende Strömung erzeugt (Stoss-)Wellen Oftmals kombiniert mit unruhigem Wasserspiegel Schiessender (Normal-)Abfluss wird nur erreicht, wenn die nötige Energie vorhanden ist Kinetische Energie des Abwasser teils sehr hoch (mehrere Meter) Kinetische Energie des fliessende Abwassers kann beim Versagen blitzartig in potentielle Energie umgewandelt werden Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 10

11 Steilleitungen (Luftaufnahme) Instabiler Bereich 0.8 < Fr < 1.5 Luftaufnahme Boussinesq-Zahl: Bou > 6 D > 1.5 m ab 60 D < 0.3 m ab 110 Dimensionierung Wasser-Luft-Gemisch = zusätzliches Volumen! Maximale Teilfüllung 0.5 < h/d < 0.75! Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 11

12 Übergang strömend schiessend Zuschlagen? h c Fr = 1 Beschleunigung Wasserspiegelverlauf Dimensionierung Wasserspiegelverlauf berechnen! Genügend lange Beschleunigungsstrecke Zuschlagen verhindern Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 12

13 Übergang schiessend strömend Wassersprung (stromabwärts) Wassersprung (stromaufwärts) Dimensionierung Wasserspiegelverlauf berechnen! Lokalisierung Wassersprung Zuschlagen? Energiedissipation Wassersprung Tosbecken? Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 13

14 Kontrollschächte Ausführung von Unterhalts- und Revisionsarbeiten Sanierung von schadhaften Haltungen Begehen von grösseren Kanalisationen Be- und Entlüftung des Abflusses Not-Überlauf im Verstopfungsfall Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 14

15 Vorgaben SIA 190 (Kontrollschächte) Kontrollschacht zwingend alle 80 bis 100 m bei Gefäll-Änderungen bei Richtungs-Änderungen bei Profil-Änderungen bei Durchfluss-Änderungen bei Material-Änderungen bei Sonderbauwerken (inkl. Messstellen) Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 15

16 Krümmerschächte Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 16

17 Krümmerschacht (strömend) Der optimale Umlenkradius liegt bei R/DN O = 2 Kleinere Umlenkradien, mindestens R/DN U = 1 sind zugelassen, z.t. Einlaufkoten anpassen Lokale Verluste: Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 17

18 Krümmerschacht (schiessend) Die Auslastung des Zulaufkanals (Q T /Q V ) sollte 50% nicht überschreiten ab 70% schlägt Ablauf immer zu! Bankett immer auf Höhe des Scheitels Zulaufkanal Umlenkung δ = 90 führen bei gleichen R/DN zu geringeren Störungen als δ = 45 Nach Umlenkung eine Beruhigungsstrecke von 1-3 DN O im Schacht einbauen Eventuell Abdeckung/Leitblech nachrüsten Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 18

19 Berechnung Wellenmaximum Berechnung Wellenhöhe und lage gemäss Reinauer und Hager (1997): Dimensionierungsgrössen: Höhe Wellenmaximum < DNU Lage Wellenmaximum < δ Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 19

20 Vereinigungsschächte Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 20

21 Vereinigungsschächte (allgemein) Hydraulischer Nachweis immer notwendig Bei Vereinigungen müssen Abflussbedingungen (schiessend/strömend) im seitlichen und geraden Zulauf bekannt sein. Mangelnder Impuls und/oder Schleppkraft führt zu Rückstau und Ablagerungen. In der Liegenschaftsentwässerung macht es Sinn, die seitlichen Zuläufe ca. 6 cm über der Sohle einlaufen zu lassen Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 21

22 Schiessende Vereinigung Berechnung hydraulische Kapazität P C gemäss Pfister (2014): 3 schiessend-schiessend 2 schiessend-strömend 4 strömend-schiessend 6 C strömend-strömend «Choking» (Zuschlagen) Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 22

23 Fallschächte Einsatz Überwindung von Höhendifferenzen Nicht-niveaugleiche Vereinigungen Nutzung von Kanälen als Speichervolumen Reduktion der Fliessgeschwindigkeit Typen Schussrinne (bis 2 m Höhe) Absturzschacht (bis 7 m Höhe) Wirbelfallschacht (ab 7 m Höhe) Herausforderungen Schussrinne Lufttransport (Be- und Entlüftung) Hygiene/Lärm/Geruch Energiedissipation (Tosbecken) Hydraulische Entkoppelung/Rückstau 23 Meter tiefer Wirbelfallschacht, Stadt Bern Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 23

24 Absturzschacht Fallhöhe maximal 7 10 m Untersturz («Schwanenhals») für Trockenwetter Strömender Zufluss mindestens DN 300 mm (Selbst-)Reinigungsmöglichkeiten Ev. Prallwand Literatur für Regenwetter Strahlgeometrie Aufprall Abrasion Granata et al. ( ) Untersturz Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 24

25 Weitergehende Untersuchungen Modellversuche 3-Simulation (CFD) Anwendung Anspruchsvolle und komplexe Situationen Detailhydraulik 2-Phasen-Strömung (Wasser/Luft) Szenario-Analysen Überlegung Kosten-Nutzen? Aufwand? (Rechenzeit?) Realität? (Modellähnlichkeit?) Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 25

26 FAZIT Hydraulik zentrales Thema in der Siedlungsentwässerung SIA 190 gibt Grundlagen für hydraulische Dimensionierung Weiterführende Abklärungen der Detailhydraulik sind meist zwingend notwendig Insbesondere sind detaillierte Abklärung bei schiessenden Abflussverhältnissen notwendig Vereinfachte Berechnungsmethoden und erweiterte Normschächte sind (teils) vorhanden Hydraulische Modellversuche und/oder 3-D Simulation (CFD) für anspruchsvolle und komplexe hydraulische Situationen Kanalisationsforum, 21./22. Mai 2015 Seite 26