Verfüllmaterialien im Rohrleitungsbau – Bettungseigenschaften · F+E-Projekt...
Transcript of Verfüllmaterialien im Rohrleitungsbau – Bettungseigenschaften · F+E-Projekt...
1
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Verfüllmaterialien im Rohrleitungsbau –Bettungseigenschaften
I. Arsic, D. König, T. Triantafyllidis
F+E-Projekt “Ausführungsrisiken beim Einsatz von Bettungs- und Verfüllmaterialien im Rohrleitungsbau“
gefördert durch Ministerium für Umwelt Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW (MUNLV)
Kooperation des LS für Grundbau u. Bodenmechanik der RUB mit dem IKT
Zusammenarbeit mit Netzbetreibern:
Tiefbauamt Dortmund, Stadtentwässerungsbetrieb Düsseldorf, Emschergenossenschaft Essen,
Stadtwerke Essen, Stadtentwässerungsbetriebe Köln
2
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Veranlassung:
• Anfangsschäden an Rohrleitungen infolge bunzureichender Bettung
• Viele negative Beispiele unzureichender bVerdichtung der Leitungszone
• Zwickelverdichtung problematisch w(besonders innerstädtisch)
• Ausführung der Bettung wesentlich für Wirtschaftlichkeit einer bKanalbaumaßnahme
• Einzelne Netzbetreiber setzen verschiedene innovative Bettungsmittel ein
Zielstellung:
• Vergleich der Bettungseigenschaften verschiedener Bettungsmittel
Einführung
3
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Versuche im Maßstab 1:1 unter idealen Einbaubedingungen
• Versuchsaufbau
• Messtechnik
• Versuchsablauf
Darstellung der Versuchsergebnisse
Bewertungsmatrix der Bettungsmittel
Vorgehensweise
• In Zusammenarbeit mit Netzbetreibern Marktanalyse der zur Zeit erhältlichen Bettungsmittel und eingrenzende Auswahl
• Auf Basis bodenmechanischer Laborversuche (z.B. Verdichtbarkeit)Charakterisierung marktüblicher Bettungsmittel
• Einteilung der Bettungsmittel in drei Gruppen: 1. “granulare“
2. “bindige“
3. “flüssige“
• Zusammen mit den Netzbetreibern Auswahl von 5 Bettungsmitteln
• Die Auswahlkriterien der Bettungsmittel waren:
1. Repräsentanz der jeweiligen Gruppe
2. Innovative Bettungsmittel
Auswahl repräsentativer Bettungsmittel
4
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
KSG 0-8Kies-Sand-Gemisch
MGM 0-16Dywidag-Mineralgemisch
EKB 0-8EKA Bett
RSS 0-32RSS®-Flüssigboden
WBM 0-16Weimarer Bau-Mörtel
Auswahl von Bettungsmitteln
5
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Vorgehensweise
Auswahl repräsentativer Bettungsmittel
Versuche im Maßstab 1:1 unter idealen Einbaubedingungen
• Versuchsaufbau
• Messtechnik
• Versuchsablauf
Darstellung der Versuchsergebnisse
•Phase 1 Zustand nach Einbau
•Phase 2 Veränderung durch Dielenziehen
Bewertungsmatrix der Bettungsmittel
•Bettung
•Rohrbeanspruchung
6
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Grundriss Großversuchsstand mit 5 Kammern
Versuchsaufbau
verfüllte Kammer
7
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Druckkissen
Rohr
Spundwand
Überschüttung
Bettungsmittel
Sand-Kies
KammerwandMessstern DMS
Neuartige Lastplattendruckversuche aus dem Rohr heraus liefern direkten Aufschluss über Bettung der
Rohre in der Leitungszone.
Versuchsaufbau
LängsschnittQuerschnitt
ca. 1,70 m
ca. 3,0 m
Druckmessfolien
Stahlrohr DN 800
8
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
hydrauliccylinder
Lastplatte
Hydraulikzylinder
Z1
Z2
Z3Z4
Z5
Rohr
Messtechnik
Lastplatte
Hydraulik-druck
Wegmessung
Aufbau Messstern Ermittlung der Steifigkeit des am Rohr anliegenden Bettungsmittels durch Aufbringen von Spannung und Messen der Setzung (Lastplattendruckversuch) in drei Bereichen:
•Rohrscheitel Z1•Rohrkämpfer Z2/Z5•Zwickel Z3/Z4
9
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Phase 2Phase 1 Phase 3 Phase 4 Phase 5
Druckkissen
Rohr
Spundwand
Überschüttung
Bettungsmittel
Sand-Kies
Kammerwand
Einbau Ziehen SpW zyklische/statische Belastung
Änderung Grundwasser-spiegel
Simulation Sackung
Hydraulik-zylinderVerbauspur Wasserstand
Ablassen Druckkissen
Versuchsablauf
5 Phasen des Versuchsablaufs
10
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Versuchsablauf
Druckkissen
Rohr
Spundwand
Überschüttung
Sand-Kies
Kammerwand
Einbau
“flüssige“ Bettungsmittel
Einbau Schüttgüter nach DIN 1610
Auftriebssicherung “flüssige“ Bettungsmittel
Einbau “flüssige“ Bettungsmittel mit Bombe
verfüllte Kammer Ende Phase 1
Druckkissen
Rohr
Spundwand
Überschüttung
Bettungsmittel
Sand-Kies
Kammerwand
Ziehen der Spundwände
Druckkissen
Rohr
Spundwand
Überschüttung
Bettungsmittel
Sand-Kies
Kammerwand
Ziehen der Spundwände
Ziehen SpW Phase 2
11
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Vorgehensweise
Auswahl repräsentativer Bettungsmittel
Versuche im Maßstab 1:1 unter idealen Einbaubedingungen
• Versuchsaufbau
• Messtechnik
• Versuchsablauf
Darstellung der Versuchsergebnisse
•Phase 1 Zustand nach Einbau
•Phase 2 Veränderung durch Dielenziehen
Bewertungsmatrix der Bettungsmittel
•Bettung
•Rohrbeanspruchung
12
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Spannung-Weg-Diagramm Einbauzustand (Phase 1) - KSG
0,000
0,250
0,500
0,750
1,000
1,250
1,500
1,750
2,000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Spannung [MN/m²]
Weg
[mm
]
Z2
Z3Z4
Z5
Z1
Scheitel
Versuchsergebnisse
Phase 1
Spannung-Weg-Diagramm Einbauzustand (Phase 1) - WBM 28d
0,000
0,250
0,500
0,750
1,000
1,250
1,500
1,750
2,000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Spannung [MN/m²]
Weg
[mm
]
Z2
Z3Z4
Z5
Z1
KämpferZwickel
13
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Spannung-Weg-Diagramm Einbauzustand (Phase 1) - EKB
0,000
0,250
0,500
0,750
1,000
1,250
1,500
1,750
2,000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Spannung [kN/m²]
Weg
[mm
]
Z2
Z3Z4
Z5
Z1
Versuchsergebnisse
Phase 1
Spannung-Weg-Diagramm Einbauzustand (Phase 1) - MGM
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Spannung [kN/m²]
Weg
[mm
]
Z2
Z3Z4
Z5
Z1
Scheitel
Kämpfer
Zwickel
14
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
MGM
WBM
EKB
RSS
KSG
Kontakt-spannung
[MPa]
klein
groß
links rechts
Roh
rsoh
le
Versuchsergebnisse
Phase 1
15
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Versuchsergebnisse
Phase 1
Maximale Dehnungen des Messrohres in Phase 1
0
200
400
600
800
Phase1
max
. Roh
rdeh
nung
[ μm
/m]
(Zug
pos
itiv)
KSG
RSS
EKB
WBM
MGM
137 115169107 60
16
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Messstern
ungleichmäßigeBettung
gleichmäßigeBettung
kaum messbar, rapides Versagen
gleichmäßigeBettung
ungleichmäßigeBettung
KSG
EKB
RSS
WBM
MGM
Phase 1 - Einbauzustand
Versuchsergebnisse
Phase 1
Folienmessung
Spannungs-konzentration
gleichmäßigeBettung
Spannungs-konzentration
gleichmäßigeBettung
Spannungs-konzentration
DMS
leicht größer
leicht kleiner
größer
leicht kleiner
leicht größer
17
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Spannung-Weg-DiagrammZiehen Spunddielen (Phase 2) - RSS
0,000
0,250
0,500
0,750
1,000
1,250
1,500
1,750
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8Spannung [MN/m²]
Weg
[mm
]
Z1_28d Z1_n_SpW Z2_28d Z2_n_SpW Z5_28d Z5_n_SpW
Z2
Z3Z4
Z5
Z1
Versuchsergebnisse
Phase 2
Spannung-Weg-DiagrammZiehen Spunddielen (Phase 2) - MGM
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Spannung [MN/m²]
Weg
[mm
]
Z1_1.Messung Z1_n_SpW Z2_1.Messung Z2_n_SpW Z5_1.Messung Z5_n_SpW
Z2
Z3Z4
Z5
Z1
Kämpfer
Scheitel
Entlastung Phase 1
Entlastung Phase 1
Belastung Phase 2
18
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
MGM
WBM
EKB
RSS
KSG
MGM
WBM
EKB
RSS
KSG
MGM
WBM
EKB
RSS
KSG
Phase 1 Phase 2
Kontakt-spannung
[MPa]
klein
groß
links rechts
Roh
rsoh
le links rechts
Roh
rsoh
le
Versuchsergebnisse
Phase 2
19
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
MGMWBM
KSG
EKB
RSS
Versuchsergebnisse
Phase 2
20
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Messstern
KSG
EKB
RSS
WBM
MGM
Phase 2 - Dielenziehen
Bettung unverändert
Bettung unverändert
Auflockerung Kämpfer & Zwickel
Auflockerung Kämpfer & Zwickel
Auflockerung Kämpfer
Folienmessung
Erhöhung Spannungs-
konzentration
gleichmäßigeBettung
max. Erhöhung Spannungs-
konzentration
gleichmäßigeBettung
Erhöhung Spannungs-
konzentration
DMS
kaum Reaktionsymmetrisch
kaum Reaktionsymmetrisch
Dehnungszuwachs Faktor 2
asymmetrisch
Dehnungszuwachs Faktor 3
asymmetrisch
Dehnungszuwachs Faktor 2
asymmetrisch
Versuchsergebnisse
Phase 2
21
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Maximale Dehnungen des Messrohres in allen Phasen
0
200
400
600
800
1000
1200
Phase1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5
max
. Roh
rdeh
nung
[ μm
/m]
(Zug
pos
itiv)
KSG
RSS
EKB
WBM
MGM
Bemessungsspannung nach ATV-DVWK A 127
Versuchsergebnisse
Phase 1-5
22
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Vorgehensweise
Auswahl repräsentativer Bettungsmittel
Versuche im Maßstab 1:1 unter idealen Einbaubedingungen
• Versuchsaufbau
• Messtechnik
• Versuchsablauf
Darstellung der Versuchsergebnisse
•Phase 1 Zustand nach Einbau
•Phase 2 Veränderung durch Dielenziehen
Bewertungsmatrix der Bettungsmittel
•Bettung
•Rohrbeanspruchung
23
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Bewertungsmatrix
Bewertung der Gleichmäßigkeit der Bettung
Einfluss des Ziehens der Spunddielen auf die Bettung
xoxx-MGM
WBM
EKB
RSS
KSG
++
- -
++
-
Bettung
++ gleichmäßigO ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer- ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer, Zwickel- - Ausfall im Zwickel, w w starke Variation
Einbauzustand (Phase 1)
xxx
xx
xxx
xx
Rohrbeanspruchung
xxx gering, symmetrischxx gering, asymmetrsichx hoch, asymmetrisch
++
-
++
-
Bettung
++ gleichmäßigO ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer- ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer, Zwickel- - Ausfall im Zwickel, w w starke Variation
Ziehen Spunddielen (Phase 2)
xxx
x
xxx
x
Rohrbeanspruchung
xxx gering, symmetrischxx gering, asymmetrsichx hoch, asymmetrisch
xoxx-MGM
WBM
EKB
RSS
KSG
++
- -
++
-
Bettung
++ gleichmäßigO ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer- ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer, Zwickel- - Ausfall im Zwickel, w w starke Variation
Einbauzustand (Phase 1)
xxx
xx
xxx
xx
Rohrbeanspruchung
xxx gering, symmetrischxx gering, asymmetrsichx hoch, asymmetrisch
++
-
++
-
Bettung
++ gleichmäßigO ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer- ungleichmäßig Einfluß
cw im Kämpfer, Zwickel- - Ausfall im Zwickel, w w starke Variation
Ziehen Spunddielen (Phase 2)
xxx
x
xxx
x
Rohrbeanspruchung
xxx gering, symmetrischxx gering, asymmetrsichx hoch, asymmetrisch
24
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Auch unter Idealbedingungen kann die geforderte Verdichtung im Zwickelbereich bei Schüttgütern nicht sichergestellt werden
Auf unterschiedliche Belastungszustände reagieren Schüttgüter mit Bettungsverlust /-minderung
Flüssige Bettungsmittel bewirken eine gleichmäßige Spannungsverteilung am Rohrumfang, die bei unterschiedlichen Belastungszuständen erhalten bleibt
Bei keinem der Bettungsmittel wurden die Bemessungsspannungen nach ATV-DVWK-A 127 überschritten
Geringe Rohrbeanspruchung bei fließfähigen Bettungsmitteln sind in der ATV-DVWK-A 127 nicht berücksichtigt und können zu unwirtschaftlicher Bemessung führen
Zusammenfassung
25
RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM
Fakultät für BauingenieurwesenLehrstuhl für Grundbau und BodenmechanikProf. Dr.-Ing.habil. Th. Triantafyllidis
Eingliederung der fließfähigen Bettungsmittel in die Bemessung nach ATV-DVWK-A 127:
Auftriebssicherung
Rohrauflager
Logistik (Ziehen Verbau)
Reduktion der Grabenbreite ?
Aushärtung (Überfahrbarkeit, Spatenlösbarkeit)
Prüfverfahren zum Nachweis der Eigenschaften der Bettungsmittel im flüssigen und ausgehärteten Zustand
Baubegleitendes Qualitätssicherungskonzept
in-situ und Laborversuche
offene Fragen &
geplante Vorgehensweise
mittelformatiger Modellversuch
FE-Berechnungen
Methoden sammeln
statische Systeme ableiten
FE-Berechnungen
ggf. Bemessungsansatz
Entwicklung aus in-situ Beobachtungen und gesamten Untersuchungsprogramm
Anwendung vorhandener ggf. Entwicklung neuer Prüfmethoden