Aktuelle Forschungsergebnisse und Regelwerksentwicklungen Prof. Dr.-ng. Bernhard Falter, FH Münster Auftraggeber: KT - nstitut für Unterirdische nfrastruktur Dr.-ng. B. Bosseler Exterbruch 1 5886 Gelsenkirchen Vortrag anlässlich der Verleihung des Goldenen Kanaldeckels am.11.7 in Gelsenkirchen 1/.11.7 /.11.7 Vorpressstation Kämpfer, links Lager V y V1 V V V V5 Kämpfer, rechts R = 5 m Bild 1 Simulation der Beanspruchungen von ngenieurbauwerken links: Tjörnbrücke in Schweden, rechts: Biegemomente einer Brückenhälfte, LF g + v + p Bild Finite Element des Rohrstranges, Blick nach innen (L = 16 m, L R =, m, d a =,1 m, Vortriebssituation Kurve ) /.11.7 /.11.7 1 d a = mm d i = 17 mm t = 5 mm E = 1 N/mm² Druckkissen, links b h = 1 1 mm t = 5 mm E = 1,5 N/mm² Rohr, DN 16 d a = 1 mm d i = 16 mm L R = mm E = 5.7 N/mm² y x z 1. Rohr-Volumenelemente. Rohr-Schalenelemente. Druckkissen. Druckübertragungselement Bild Finite Element Netz für eine halbe Rohreinheit 5/.11.7 Bild Parts des FE-s, Koordinatensystem Druckkissen, rechts b h = 1 1 mm t = 5 mm E = 1 N/mm² 6/.11.7
[N/mm²] 5 5 ε el ε pl ε tot 5 5 15 1 5,,1,,,,5,6,7 ε [-] R = 5 m Bild 5 -ε-diagramm für OSB Druckübertragungsringe mit elastisch-plastischem Werkstoffverhalten Bild 7 Horizontale Verformungen 7/.11.7 8/.11.7 R = 5 m R = 5 m Bild 7 Horizontale Verformungen, max w y = 17. mm (in y-richtung 15-fach vergrößert) Drehung Rohre ziehen sich gerade Drehung Bild 7 Horizontale Verformungen, max w y = 17. mm (in y-richtung 15-fach vergrößert) 9/.11.7 1 /.11.7 F y (nach innen gerichtet) R = 5 m F y Messung: ΣH = -59 kn Rechnung: ΣH = [kn] nach außen gerichtet Bild 7 Horizontale Verformungen, max w y = 17. mm (in y-richtung 15-fach vergrößert) -6 7 9 1 8 1 115-6 Bild 8 gemessene und berechnete Zylinderkräfte F y, Vortriebszustand Kurve [kn] 11 /.11.7 1 /.11.7
6 F y nach außen gerichtet e = -1 mm e = -658 mm e = -67 mm Bild 9 Kontaktspannungen an den Rohrübergängen, Exzentrizitäten e der Druckresultierenden e = -6 mm 1 /.11.7 F y [kn] F y nach innen F y nach innen KT-OSB gerichtet gerichtet - -PU -Spanpl. -Holz FE-OSB - -PU -Spanpl. -Holz -6 6 8 1 1 1 16 Bild 1 Verteilung der Zylinderkräfte F y über den Rohrstrang, Variation des Werkstoffs der Druckübertragungsringe, 1 /.11.7 1. 1. Gerade. Abweichung von der Solltrasse. Korrektur OSB -6 9-8 D- 55-99 Vortriebssituation PU -51 6-1 D- 9-58 1. 1. Gerade OSB -6 D- Vortriebssituation PU -51 D-. Rückkehr zur Solltrasse 5.. Gerade 6. Kurve 7.. Gerade 79 17 7-8 56 67 19-8 198 11 5-86 5 6-9 5.. Gerade 7.. Gerade 17-8 67-8 11-5 -9 Tabelle 1a: Maximale Zylinderkräfte F y für alle untersuchten Vortriebssituationen 15 /.11.7 Tabelle 1b: Maximale Zylinderkräfte F y für die Vortriebssituationen Gerade 16 /.11.7 Vortriebssituation: Abweichung von der Solltrasse Kurve y z x Bild 11 Spannungsverteilung x im Druckübertragungsring in Querrichtung Bild 1 Spalt zwischen zwei Rohrspiegeln infolge Abwinkelung des Rohrstranges 17 /.11.7 18 /.11.7
ϕ =. N/mm² V V V ϕ =.8 N/mm² Bild 1 Umfangsspannungen (= ϕ ) in Rohr V, Vortriebssituation Rückkehr zur Solltrasse 19 /.11.7 Bild 1 Rohrspannungen, Rohr-Bodenmodell exzentrische Belastung F x, Bodenreaktionen S /.11.7 Umfangsspannungen bei Belastung durch Führungskräfte F y Annahmen: Einflusslänge der seitlichen Bodenspannungen a 1 = a = L / (L = Rohrlänge) dreieckförmige statt rechteckförmige Lastverteilung, Amplitude / max B, relevante Schnittkräfte im Rohrscheitel" (also auf der Seite). Schnittgrößen und Spannungen in Umfangsrichtung ϕ: seitlicher Kissendruck B = kn/m² (aus Messungen am Vortriebssimulator) Schnittkraftbeiwerte n B m B =, für α = 6, Scheitel, nach Hornung/Kittel, Fall.9. Schnittgrößen N ϕ, M ϕ = m B B rm² =, 1,,95² = 5,5 knm/m Widerstandsmoment W ϕ = s² / 6 = 5² / 6 = 1.17 mm³/mm Krümmungsbeiwert α Ki = 1 + 1/ (s / r m ) = 1 + 1/ (,5 /,95) = 1,9 Spannung Nϕ Mϕ 5.5 ϕ = ± αki,a = ± 1,9 = 5, 9 A ϕ Wϕ 1.17 N/mm² FE-Ergebnis =,8 N/mm² vgl. Bild 1 1 /.11.7 Längsspannungen bei Belastung durch exzentrische Vortriebskräfte F x DMS-Ergebnisse am D-Berechnung Außenkurve (links) N/mm² -, +1,6 Tabelle : Spannungen x im Rohr V, Betrachtung in Vortriebsrichtung nnenkurve (rechts) N/mm² -9, -9,5 /.11.7 Abwinkelungen nach Regelwerk A 161 (Entw. 7), 1. Aus Kurvenfahrt ϕ R = arctan =,. 5 ϕ A, mit =,8 L R. Aus A 161, Diagramm 8.1 ergibt sich der Winkel aus unplanmäßiger Abweichung der Vortriebsmaschine von der Sollachse 1 ϕ A = 1,8, =,16 5. Für den Winkel aus der Abweichung von der Rechtwinkligkeit der Rohrspiegel a cal 8 mm nach A 161, Tabelle gilt 8 ϕ a,cal = arctan =,18. 1 gemessen: Gesamtwinkel: ca. mm ϕ ges = ϕ R + ξ (ϕ A + ϕ a,cal ) =, +,8 (,16 +,18 ) =,687 /.11.7 DÜR 1 Vergleich der Abwinkelungen Messungen am F x =, MN F x = 6 MN,5,6,51,1,6,11,, Gleichverteilung nach A 161 ϕ = arctan (L R /R), Abwinkelung des. und 5. DÜR, Tabelle : Abwinkelungen nach Messungen am und bei Gleichverteilung /.11.7
E-Modul der nach A 161 (E 8.7) E-Modul der nach A 161 (E 8.7) Abschnitt 8.1 Druckkraftübertragung z. B. OSB-Platte: 1, ( ) 61,11 E 98,8 9 5866 1,6 + + cal cal = cal + + cal cal cal cal cal (,9 sd +,68 sd 1,16 sd + 8,657) (8.9c) s D ist dabei in mm einzugeben, cal in N/mm, E cal ergibt sich in der Einheit N/mm 5 /.11.7 6 /.11.7 Ergebnisse Die Bettungsreaktionen, Verformungen und Exzentrizitäten des Vortriebssimulators entsprechen dem D-FE-. Variationen des Werkstoffs für die Druckübertragungsringe führen zu plausiblen Exzentrizitäten und örtlichen Rohrspannungen. Die Rohrspannungen von und stimmen näherungsweise überein. Forschungsbedarf Erweiterung des s für beliebige Trassen (mit mehr als 5 Rohren) ierung des nicht linearen Werkstoffverhaltens (Exzentrizität e y der Vorpresskraft) Einheitliches mit Berücksichtigung des Überschnittes, der Reibung, der Bodenparameter, der Rohrimperfektionen, 7 /.11.7 1-1 - - Abw eichung 1 5 6 7 8 Bild 15 Strang aus Rohren (76,8 m) mit 7 Vortriebssituationen, 8 /.11.7 1-1 - Gegensteuern 1-1 - - 1 5 6 7 8 Bild 15 Strang aus Rohren (76,8 m) mit 7 Vortriebssituationen, 9 /.11.7 Rückführung - 1 5 6 7 8 Bild 15 Strang aus Rohren (76,8 m) mit 7 Vortriebssituationen, /.11.7
1-1 - - 1 5 6 7 8 Kurve Bild 15 Strang aus Rohren (76,8 m) mit 7 Vortriebssituationen, 1 /.11.7 Bild 16 Ablaufdiagramm zur Ermittlung der Vortriebsparameter /.11.7 Literatur Bild 16 Ablaufdiagramm, Fortsetzung /.11.7 1. Scherle, M.: Rohrvortrieb, Band : Statik, Planung, Ausführung. Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin (1977). Uffmann, H.-P.; Deisenroth, W.: Neue Erkenntnisse über die Spannungsverteilung in der Rohrfuge beim Rohrvortrieb. TS H. 1/, 1. Vogler, G.: Beanspruchung von Vortriebsrohren bei Kurvenfahrten. BFT H. 7 (), 5. Stein, D.: Grabenloser Leitungsbau. Ernst & Sohn, Berlin 5. Scherle, M.: Pro und contra zu Zwängungen beim Rohrvortrieb. Bi UmweltBau H. 6 (), 1 6. Verburg, N.: An analysis of friction by microtunnelling. Final report TU Delft, Dec. 6 7. Bosseler, B.; Liebscher, M.; Redmann, A.: Simulation von Rohrvortrieben im Maßstab 1:1. R international (5) H. 1/6 8. Arbeitsblatt DWA-A 15: Rohrvortrieb und verwandte Verfahren. Entwurf Febr. 7 9. Arbeitsblatt DWA-A 161: Statische Berechnung von Vortriebsrohren, Entwurf. Aufl. Mai 7 1. FH Münster: Numerische ierung des KT-Vortriebssimulators, Variation der (OSB, Spanplatte, PU, Holz), Bericht vom 16.6.7 11. Beckmann, D.; Stein, R.; Fabri, T.; Uhlenbroch, A.: CoJack - A new statics method of computing and controlling pipe jacking. Tunnelling and Underground Space Technology (7), 587 1. Broere, W.; Faassen, T.F.; Arends, G.; von Tol, A.F.: ing the boring of curves in (very) soft soils during microtunnelling. Tunnelling and Underground Space Technology (7), 6 /.11.7 Vielen Dank für hre Aufmerksamkeit - Fragen? 5 /.11.7