Schadensbilder bei Druckrohren - Berliner Sanierungstage

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B e r l i n e r
S a n i e r u n g s t a g
13. März 2008 - Rehabilitation von Druckrohrleitungen
Statik für Druckrohre
Dipl.-Ing. Rita Röhner
Dr.-Ing. Albert Hoch

Inhalt
•Schadensbilder bei Druckrohren
•Bemessungskonzepte von Linern bei der Sanierung
von Druckrohren in der ATV M-127, Teil 2 und in der
ASTM F 1216-07b
•Bruchmechanismen von verklebten Linern
•Mechanische Modellvorstellung und
Bemessungsansatz für Lastfall III
•Rechenbeispiel für den Lastfall III
•Ergebnisse/Parameterstudie
•Berstversuche mit Drucklinern
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Schadensbilder bei Druckrohren
• Längsrisse im Altrohr
• Löcher im Altrohr
• Muffenspalte
• Wanddickenabtragung
• Korrosion
Diese Schadensbilder sind für Druckrohrleitungen von
besonderer Bedeutung, da die Funktionsfähigkeit und
Standfestigkeit der Altrohre dadurch signifikant beeinträchtigt
werden und die Liner teilweise oder ganz die statischen
Lasten aufnehmen müssen, bevor das bei
Freispiegelleitungen der Fall ist.
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Belastungen aus Innendruck speziell
bei Druckrohren
Langzeitzustand:
• Betriebszustand
Kurzzeitige Belastung:
• Prüfdruck
• Druckstoßberechnung
p i
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Druckstoßberechnung nach Joukowsky
mit:
P jouk
= a ⋅v
⋅ ρ ⋅10 −5
0
P jouk : max. Druckstoß nach Joukowsky [bar]
a: Druckwellengeschwindigkeit [m/s]
a
=
1+
E
E P
E
M
M
R
⋅
d
s
m
E M : E-Modul des Mediums [N/mm²]
E R : E-Modul des Rohrmaterials [N/mm²]
d M : mittlerer Rohrdurchmesser [mm]
s: Rohrwanddicke [mm]
ρ M : Dichte des Mediums [kg/m³]
v 0 : Strömungsgeschwindikkeit [m/s]
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Druckstoßberechnung
-Einfluss des Materialsv
0
[m/s]
PVC-U DN 200
PN 10
[bar]
PE-HD 225 x 20,5
PN 10
[bar]
GGG DN 200
K8
[bar]
0,5 1,45 0,61 5,99
1,0 2,9 1,22 11,98
1,5 4,36 1,83 17,98
Dämpfung abhängig vom E-Modul
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Bemessungskonzept von Linern bei der
Sanierung von Druckrohren
Altrohrzustand
gemäß
ASTM F 1216-07b
Teilweise
beschädigte Rohre
Vollständig
beschädigte Rohre
Schadensbilder Lastfall I Lastfall II Lastfall III
-leichte
Wanddickenabtragung
und kleine Löcher
durch Korrosion
-geringer Muffenspalt
-Längsrisse mit
geringen
Rohrverformungen
-starke Wanddickenabtragung
und große
Wandlöcher durch
Korrosion
-großer Muffenspalt
-Längsrisse mit
deutlich großen
Rohrverformungen
Gemäß ATV-M127, Teil 2
-Grundwasser
-Negativdruck
-Grundwasser
-Negativdruck
-Erd- und
Verkehrslasten
Bemessung nach
ASTM F 1216-07b
bzw. ATV-M127,
Teil 2
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-Innendruck
(Wandlochmodell)
-Negativdruck
-Innendruck
(Kesselformel)
-Negativdruck
Bemessung nach
ASTM F 1216-07b
Biegezugbruch
von verklebten
Linern durch
Haft- und
Reibungsabtragung
an der
Verbundfläche
zwischen Liner
und Altrohr beim
Ablösen der
Ringzugkraft im
Altrohr unter
Innendruck
?
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Altrohrzustände gemäß ATV M 127 Teil 2
p E
+ p V
p a
p a
p a
Altrohrzustand I:
Das Altrohr ist voll
tragfähig.
Altrohrzustand II:
Das Altrohr ist
gerissen, das Altrohr-
Bodensystem jedoch
voll tragfähig.
Altrohrzustand III:
Das Altrohr-
Bodensystem weist
keine ausreichende
Standsicherheit auf.
Es sind deutliche
Deformationen
eingetreten.
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Bruchmechanismen von verklebten Linern
-Materialkennwerte-
Material
E
[MPa]
σ z
[MPa]
ε grenz
[%]
PEHD 800/160 21/14 3,0
PP 1250/312 39/17 2,0
PVC-U 3000/1500 90/50 0,8
Synthesefaser 3675/1400 23/20 2,0
Beton 30000 3 - 8 0,015
Duktiles Gusseisen 170000 420 0,250
Steinzeug 50000 20 0,040
Stahl 210000 336 0,200
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Stoffgesetz für Kunststoffe
m
=
σ
σ
d , B
Z , B
Vergleichsspannung konisches Bruchkriterium:
σ
v,
kon
=
m −1
2⋅
m
[ ]
2 1/ 2
2
2
( σ + σ + σ ) ± ( σ −σ
) + ( σ −σ
) + ( σ −σ
)
1
2
3
1+
m
2
2
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1
2
2
3
3
1
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Stoffgesetz für Kunststoffe
-Zeitentwicklung-
t
1
< t 2
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Bruchmechanismen von verklebten Linern
-Ringzugkräfte-
N = r * pi
⇒ F
HP
( t)
+ FL
( t)
= ( Di
/ 2 − sL
)*
pi
D i
: Innen- bzw. Nenndurchmesser des Altrohres
s L
: Wanddicke des Liners
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Bruchmechanismen von verklebten Linern
-Materialverhalten-
12,0
1
0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
Vertikalverformung [mm]
F L(t)/(D i/2-s L)*p i [-]
Restringzugfestigkeit
des Altrohres F HP,RF
F HP (t)/(D i /2-s L )*p i [-]
1,E-02 1,E+00 1,E+02 1,E+04 1,E+06
0,0
0
1
Ze it t [h]
1,0
0,9
0,8
0,7
E L (t)/E L (0)
0,6
0,5
Langzeitscheiteldruckversuch Ringzugkräfte in Liner und Altrohr
Synthesefaser-Liner
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Bruchmechanismen von verklebten Linern
-Spannungsverlauf im Rissbereich-
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Mechanische Modellvorstellung und
Bemessungsansatz für Lastfall III
-Schubmodell für Verbundverhalten-
F T
F T,B =µ*F N
ST
∆F
T
/ ∆δ
T
=
K
T
für
F
T
>
F
T , B
∆F
T
/ ∆δ
T
=
S
T
⋅ F
T
für
F
T
≥
F
T , B
K T
F
T , B
= µ ⋅ F
N
δ T
δ T,B
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Rechenbeispiel für den Lastfall III
-Modell und Eingangsparameter-
Riss t R
ablösende Lasten
∆p = ±σ HP,T
Altrohr aus
s HP =19,3 mm
Asbestzement:
E HP =33400 N/mm²
Liner s L
Altrohr s HP
Kontaktelemente für
Verbundverhalten
Innendruck p i
Liner: s L =6,3/8,2/10,1/12,0
mm
E L (0)=845 N/mm²
σ BZ (0)=36 N/mm²
E L (50)=423 N/mm²
σ BZ (50)=18 N/mm²
Verbundverhalten: µ=0,01 bis 1,0
K T =5000 N/mm
Rissbreite:
bei µ=0,5
t HP =0,1 mm
Kontaktelemente für
Bettung (Boden)
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Rechenbeispiel für den Lastfall III
-Verformungen-
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Ergebnisse der Biegezugspannungen
in Abhängigkeit der Reibung
µ = 0,5
µ = 0,01
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Ergebnisse der Parameterstudie
-Variation der Wanddicke-
30,0
Biegezugspannung im Liner [N/mm²]
25,0
20,0
15,0
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Wanddicke des Liners sL
[mm]
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Ergebnisse der Parameterstudie
-Variation Reibungskoeffizient-
45
σ BZ (0)=36 N/mm²
Kurzzeit p i =7 bar
Langzeit p i =3 bar
σ BZ (50)=18 N/mm²
40
35
30
25
20
15
10
5
Biegezugspannung [N/mm²]
1,0
0,1
Reibungskoeffizient µ [-]
0,0
0
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Berstversuche mit Drucklinern
Materialien:
E k =3300 MPa
σ Z =212,65 MPa
und
E k =800 MPa
σ Z =21 MPa
330
Loading Frame
load
Ch 1
steel
plates
load
Ch 2
displacement
Ch 6
load
Ch. 3
steel
plates
load
Ch 4
displacement
Ch. 7
1000
I- Section I- Section
1200
L/3 L/3 L/3 L/3 L/3 L/3
Test Pipe
L=5500 L=5500
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Berstversuche mit Drucklinern
-Biegezugspannungenσ
max = 66,2 N/mm²
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Berstversuche mit Drucklinern
-Biegezugspannungen PEHDσ
max = 23,05 N/mm²
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Zusammenfassung und Ausblick
• Lastfälle I und II sind in ATV M-127 Teil 2 und
ASTM F 1216-07b geregelt.
• Lastfall III (Versagensmodell Biegezugbruch durch Haftund
Reibungsabtrag) wurde für einen verklebten Liner und
AZ II mit Rechenbeispiel und Parameterstudie vorgestellt.
• Versagen folgt aus zeitabhängiger Lastumlagerung
zwischen Liner und Altrohr.
• Wesentlicher Parameter für die Größe der
Biegezugspannungen ist der Reibungskoeffizient µ sowie
K T .
• Wirtschaftlichkeit wird durch Abminderung des
Reibungskoeffizienten erreicht, konstruktiv also z.B. durch
Verlegen einer Folie zwischen Liner und Altrohr.
• Wünschenswert wären Versuchsergebnisse, die die
Eingangsparameter µ und K T kalibrieren und die
Wirkungsweise der eingebauten Folie untersuchen.
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Statik für Druckrohre
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dipl.-Ing. Rita Röhner
Dr.-Ing. Albert Hoch
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