Kunststoffrohrsysteme:

Transkript

1 Kunststoffrohrsysteme: Kriterien für die Auswahl des Rohrsystems Dipl.-Ing. Rudolf Töws

2 Gliederung - Gesamtübersicht Rohrwerkstoffe - Statik eines erdverlegten Rohres - Kriterien für die Werkstoffwahl - Fazit

3 Rohrwerkstoffe Biegeweich GFK: EN PP-H: EN 1852 PP-MD: EN PE: EN PVC-U: EN 1401 PVC-U, PP-H, PE: EN Biegesteif Biegesteif / biegeweich Beton: EN 1916 Polymerbeton: EN Steinzeug: EN 295 Guss: EN 598

4 Biegesteif oder biegeweich? Ob sich ein Rohr biegesteif oder biegeweich verhält ist nach ATV Arbeitsblatt A 127 abhängig von dem Verhältnis der Rohrsteifigkeit S R zur horizontalen Bettungssteifigkeit des Bodens S Bh, der so genannten Systemsteifigkeit V RB. Bei V RB < 1,0 (Boden steifer als Rohr) wird das Rohr als biegeweich betrachtet, z.b. die gebräuchlichen Kunststoffe PVC-U, PP, PE und in den meisten Fällen auch Guss. Bei V RB > 1,0 (Rohr steifer als Boden) wird das Rohr als biegesteif betrachtet, z.b. Steinzeug oder Beton.

5 Statisches System Graben biegeweich (Kunststoffe) ~ 150 kn/m² ~ 150 kn/m² ~ 100 kn/m² ~ 100 kn/m² qv ~ 75 kn/m² qh = ~ 0,4 x 150 = 60 kn/m² Graben qv ~ 200 kn/m² biegesteif (Stz, B) ~ kn/m² ~ 75 kn/m² ~ 75 kn/m² ~ kn/m² qh = ~ 0,40 x 75 = 30 kn/m² Ein Betonrohr hat eine größere Steifigkeit als der Boden und "zieht" somit die Lasten an? dadurch eine Lastkonzentration über dem Rohr.

6 Eigenschaften von Rohrsystemen Ringsteifigkeit Hydraulik/ Abrieb Chemische Resistenz Schlagzähigkeit HD-Spülfestigkeit Ökologie Nutzungsdauer Kosten Einbau/ Material Dichtheit

7 Nutzungsdauer Über welchen Zeitraum liegen Erfahrungen vor? Beton, Guss, Steinzeug PVC-U PP PE > 100 Jahre ca. 85 Jahre ca. 55 Jahre ca. 55 Jahre Nach den LAWA-Leitlinien beträgt die durchschnittliche Nutzungsdauer von Kanälen (Neubau) (100) Jahre Nutzungsdauer Nutzungsdauer

8 Abriebfestigkeit Abriebverhalten nach dem Darmstädter Verfahren Abrieb Abrieb

9 Hydraulik Bemessung nach DWA-A 110 Für die hydraulische Dimensionierung neu zu erstellender Abwasserkanäle wird in der Regel das Pauschalkonzept angewendet. Die verschiedenen Verlustbeiwerte werden in die betriebliche Rauheit kb eingerechnet. kb abhängig von - Wandrauhigkeit des Rohres (Werkstoffkennwert) - Lageungenaugkeit und änderung (z.b. Richtungs- und Gefälleänderungen) - Rohrverbindungen (z.b. Muffenversätze) - Zulauf- und Formstücke - Schachtbauwerke Hydraulik Hydraulik

10 Kriterium HD-Spülung DIN 19523, August 2008 HD- Spülung HD- Spülung

11 Ökologie Rohr-Extrusion Rohr- Thermoplast CO2-Equivalents, Total (kg) Nutzungsdauer angenommen 100 a Energiebedarf (MJ) PVC-U 0,336 9,38 PP 0,485 10,38 PE-HD 0,504 9,93 CO2-Equivalents The CO2-equivalent measures the global warming potential (following the IPCC 100 years standard) of a conversion process. As indicated by its name, this data is expressed in terms of kg CO2-equivalents. Gross Energy This gives an overview of the energy usage by electricity, oil and other energy types, in terms of MJ Ökologie Ökologie

12 Schlagzähigkeit / Robustheit Kugelfallversuch DIN EN 744: Standardverfahren Für Verlegung bis 0 C DIN EN 1411: Stufenverfahren Für Verlegung bis -10 C Schlagzähigkeit Schlagzähigkeit

13 Dichtheit Dichtheitsprüfung DIN EN 1277 und/oder DIN 4060 Langzeitdichtverhalten DIN EN Dichtung Dichtung

14 Kriterium Materialkosten Quelle: Dr. Pecher Kosten Material Kosten Material

15 Einbaukosten / -freundlichkeit Einbaukosten - Rohrgewicht - Rohrlänge - Handling - Verbindungsart

16 Einbaukosten / -freundlichkeit Iy = 1240 mm^4/mm Vollwand A = 7,1 mm²/mm Rippen Wickelprofil kerngeschäumt Hohlkammer Hohlkammer Kosten Einbau Kosten Einbau

17 Chemische Beständigkeit Chem. Resistenz Chem. Resistenz

18 Ringsteifigkeit Vielfalt der Rohrklassen SN SDR PN S F N Kl. A/B

19 Ringsteifigkeit Biegesteif Biegeweich Belastung bis zum Bruch Ergebnis: F N in kn/m z.b. Betonrohr DN300: 30 kn/m d v = 3% Zwischenergebnis: F in kn y F S (0,0186 0,025 ) di L y Ergebnis: Ringsteifigkeit in kn/m² z.b. S = 8 kn/m² = SN8

20 Ringsteifigkeit / Klassifizierung Einfluss der Ringsteifigkeit auf die Rohrverformung Ringsteifigkeit Ringsteifigkeit Quelle: TEPPFA

21 Ringsteifigkeit / Klassifizierung SN / SDR-Klassifizierung S E I D E s 12 3 m D m 3 (glattwandige Rohre) SDR D s Rohraussendurchmesser Rohrw anddicke Beispiel: PVC-U-Rohr, DN/OD 200, SN8 entspricht SDR 34 min e = 200/34 = 5,9 mm Werkstoff DIN EN E-Modul SN 2 SN 4 SN 8 [N/mm²] PVC-U SDR 51 SDR 41 SDR 34 PP-H SDR 41 SDR 33 SDR 23,4

22 Ringsteifigkeit / Klassifizierung Werkstoff DIN EN SN SDR S 4 41 PVC-U ,4 11,2 PP-H , ,6 13,3 PE-HD ,

23 Kriechneigung Langzeit-Verformung von Kunststoffrohren

24 Kriechneigung CONNEX-Rohr HS SN12

25 Verformung in [mm] Kriechneigung Ergebnisse 60 Verformung von PP u. PVC-U Rohren DN/OD 315 unter konstanter Last in Abhängigkeit der Zeit Rohr nach DIN EN (PP-MD) Rohr nach DIN EN 1852 (PP-H) 20 Rohre i.a. a DIN EN 1401 (PVC-U) Versuchsdauer lin. in [Std.]

26 Kriechneigung Ergebnisse Rohr nach DIN EN (PP-MD) Rohr nach DIN EN 1852 (PP-H) Rohre i.a. an DIN EN 1401 (PVC-U)

27 Kriechneigung Langzeit-Verformung von Kunststoffrohren Graben ~ 150 kn/m² ~ 150 kn/m² ~ 100 kn/m² ~ 100 kn/m² qv ~ 75 kn/m² qh = ~ 0,4 x 150 = 60 kn/m² Mit abnehmender Einbauqualität wächst die Bedeutung der Ringsteifigkeit Bei identischem Einbau erfährt das Rohr mit der größeren Kriechneigung langzeitig immer eine größere Verformung Kriechneigung Kriechneigung

28 Längsbiegesteifigkeit Längsbiegesteifigkeit von Rohren Ringsteifigkeit S I R E I D 3 s 12 R 3 m Längsbiegesteifigkeit B I L I L E ( D 64 4 a D 4 i )

29 Längsbiegesteifigkeit Rohreinbettung mit fließfähigen Verfüllmaterialien Rohre gegen Auftrieb sichern, dabei ist auf eine hohe Längsbiegesteifigkeit der Rohre achten!

30 Längsbiegesteifigkeit Wofür ist die Längsbiegesteifigkeit noch wichtig? - Einsatz von fließfähigen Verfüllmaterialien - in Längsrichtung veränderliche Bodenbedingungen - in Längsrichtung veränderliche Lastbedingungen (z.b. auch infolge Radlasten bei geringer Überschüttung) - Bergsenkungen bei längskraftschlüssigen Rohrleitungen - Setzungen nach dem Verlegen infolge Dammschüttung - fortschreitendes Ziehen des Spundverbaus - Frei hängende Rohrleitungen

31 Versuche, Längsbiegesteifigkeit w = 1,3 cm w = 1,2 cm Getestet: HS-Rohr DN/OD CONNEX-Rohr DN/OD Min / 24 h l F

32 Längsbiegesteifigkeit Längsbiegesteifigkeiten im Vergleich - Erdüberdeckung h = 3 m - Annahme: Rohrauflager auf einer Länge von 1,8 m stark geschwächt - Rohrflächenbelastung ca. pe = 0,75 x 3 x 20 kn/m³ = 45 kn/m² - Rohrlinienbelastung DN/OD 315 ca. pe*= 0,315 x 45 = 14,18 kn/m - Vollwandrohre nach DIN EN 1401 / 1852 / statische Annahme: Balken auf zwei Stützen ohne Einspannung Rohreigengewicht (0,1-0,15 kn/m) und Wasserfüllung (0,5 kn/m) sind nicht berücksichtigt Werkstoff Ringsteifigkeit Wanddicke E-Modul Längsbiegesteifigkeit Durchbiegung SN (Kurzzeit) s E (Kurz-/ Langzeit) E x I (Langzeit) w (Langzeit) kn/m² mm N/mm² knm² mm PVC-U 12 (HS) 10, / PVC-U 8 9, / PP-ML 12 12,2 2400/ PP-H 10 12, / PP-MD 8 11, / PE-HD 8 15,0 800 / PP-H Profil 8 3,7 +Rippen 1250 / Längsbiegesteifigkeit Längsbiegesteifigkeit

33 Systemdurchgängigkeit Jede Kette ist nur so stark wie das schwächste Glied

34 Systemdurchgängigkeit Bestimmung der Ringsteifigkeit Rohr (ISO 9969) Formteil (ISO 13967) Lastplatte

35 Systemdurchgängigkeit System-Durchgängigkeit KG-Überschiebmuffe HS-Rohr KG-Abzweig HS-Rohr HS-Abzweig HS-Rohr

36 Systemdurchgängigkeit, Materialmix Alles da! Ideale Baustelle???

37 Systemdurchgängigkeit, Materialmix PVC-U PP PVC-U Macht das Sinn? Darf man das? Was hat es für Konsequenzen?

38 Systemdurchgängigkeit, Materialmix Verformung Rohr in [%] Verformung Abzweig in [%] HS- Abzweig DN/OD 250/160/45 3,43 (PVC-U) 3,9 (PVC-U) PP- Abzweig DN/OD 250/160/45 3,86 (PVC-U) 8,3 (PP)

39 Systemdurchgängigkeit, Materialmix Argument: die Bauteile (z.b. PVC-Rohr + PP-Formteil) sind kompatibel, die Ringsteifigkeit ist auch in etwa gleich, wieso also nicht kombinieren? Einwand: gleich ist die Ringsteifigkeit nach 3 Minuten, danach verhalten sich die Werkstoffe aber komplett unterschiedlich. Zusätzlich: Abweichungen bei der Bestimmung der Ringsteifigkeit und Unterschiede bei Temperaturänderungen!

40 Systemdurchgängigkeit, Materialmix Systemkonsequenz Systemkonsequenz

41 Eigenschaften von Rohrsystemen Ringsteifigkeit Hydraulik/ Abrieb Chemische Resistenz Schlagzähigkeit HD-Spülfestigkeit Ökologie Nutzungsdauer Kosten Einbau/ Material Dichtheit Systemkonsequenz Kriechneigung Längsbiegesteifigkeit

42 Fazit Es gibt einige gute Rohrsysteme aus Kunststoff, die sich in der Praxis seit Jahrzehnten bewährt haben Es gibt kein optimales Rohrsystem für alle Einsatzzwecke. Die Auswahl für die jeweilige Anforderung sollte nach den aufgeführten Kriterien erfolgen. ein Vorschlag für eine Entscheidungsmatrix ist aufgezeigt worden. Bei glattwandigen Kunststoffrohren sind die Klassifizierungen SN und SDR üblich, bei profilierten Rohren ist die Klassifizierungen nach SN üblich, geringere SDR-Klasse bedeutet größere Mindestwanddicke Die Einordnung in SN-Klassen ist die gängige Klassifizierung von Kunststoffrohren, jedoch nur eins von vielen Kriterien. Weitere wichtige sind - Ausreichende Längsbiegesteifigkeit, - geringe Kriechneigung und - komplettes Programm (wandverstärkte Formteile) - Konsequente Systemdurchgängigkeit Die Rohrqualität hat neben der Verlegequalität großen Einfluss auf die Nutzungsdauer, deshalb ist ein geringer Mehrpreis für mehr Qualität in der Regel gut angelegt.

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!