Nomenklatur ................................................... vii
Bildverzeichnis ................................................ xv
Tabellenverzeichnis ........................................... xix
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Ausgangssituation ....................................... 1
1.2 Wissenschaftliche Aufgabenstellung ...................... 2
1.3 Zielsetzung und Abgrenzung der eigenen Arbeit ........... 2
2 Überblick und aktueller Wissensstand ......................... 5
2.1 Wesentliche Rohrwerkstoffe und Rohrtypen ................ 5
2.2 Metallische Rohre ....................................... 5
2.2.1 Duktiles Gusseisen (GGG) ......................... 5
2.2.2 Stahl ............................................ 6
2.3 Thermoplastische Rohre .................................. 7
2.3.1 Polyvinylchlorid (PVC) ........................... 7
2.3.2 Polyethen (PE-HD, PE-X) .......................... 8
2.4 Mineralisch gebundene Rohre ............................. 9
2.4.1 Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonrohre .......... 9
2.4.2 Steinzeugrohr (Stz) ............................. 10
2.5 Verbundrohrtechniken ................................... 10
2.5.1 Glasfaserverstärkter, duroplastischer
Kunststoff (GfK) ................................ 10
2.5.2 Mehrschichtkonstruktionen ....................... 11
2.6 Berechnungsverfahren ................................... 12
2.6.1 Allgemeines zur Berechnung ...................... 12
2.6.2 Analytische Berechnung auf inneren Über-/
Unterdruck und äußeren Überdruck ................ 14
2.6.3 Analytische Berechnung auf Lasten infolge
Erdeinbettung ................................... 17
2.6.3.1 Erdstatische Berechnung mit dem
Ersatzmodell ........................... 17
2.6.3.2 Erdstatische Berechnung nach der
Kontinuumsfheorie ...................... 21
2.6.4 Numerische Finite-Elemente-Methode (FEM) ........ 22
2.7 Textilbeton (TRC) ...................................... 23
2.8 Resümee und Schlussfolgerungen zum aktuellen Stand ..... 24
3 Grundlagen und notwendige Voruntersuchungen ................. 25
3.1 Konstruktiver Aufbau des textilbewehrten
Mehrschichtrohrs ....................................... 25
3.2 Geometrische Kenngrößen ................................ 26
3.3 Materialeigenschaften .................................. 27
3.3.1 Rezepturgestaltung und
Frischbetoneigenschaften der Feinbetonmatrix .... 27
3.3.2 Grundlegende Festbetoneigenschaften der
Matrix .......................................... 29
3.3.3 Basiswert der Betondruckfestigkeit .............. 29
3.3.4 Basiswert der Betonzugfestigkeit ................ 30
3.3.5 Basiswert der Betonscherfestigkeit .............. 32
3.3.6 Basiswert des Betonelastizitätsmoduls ........... 32
3.3.7 Schwinden der Betonmatrix ....................... 34
3.3.8 Mitwirkung des Betons zwischen Rissen (Tension
Stiffening) ..................................... 34
3.3.9 Eigenschaften der eingesetzten textilen
Bewehrungsstruktur .............................. 36
3.3.10 Abgeleitete Grundkennwerte des textilbewehrten
Betonelementes .................................. 40
3.3.11 Grundkennwerte des Kunststoffinnenrohrs ......... 43
3.4 Mechanische Kenngrößen und Querschnittswerte
der mehrschichtigen Rohrwandung ........................ 48
4 Experimentelle und rechnerische Analysen .................... 51
4.1 Grundlagen ............................................. 51
4.1.1 Prüfkörperherstellung ........................... 51
4.1.1.1 Prüfkörper zur
Eigenspannungsbestimmung im
Kunststoffrohr ......................... 51
4.1.1.2 Prüfkörper zur Bestimmung des
Schwindverhaltens ...................... 51
4.1.1.3 Prüfkörper für
Innendruckbeanspruchung ................ 51
4.1.1.4 Prüfkörper für die Biegebeanspruchung
(Scheiteldruckversuch) ................. 53
4.1.2 Messdaten ....................................... 53
4.1.2.1 Messwerterfassung ...................... 53
4.1.2.2 Mittelwertbildung und
Regressionsanalyse der Messdaten ....... 55
4.1.3 Temperatureinflüsse ............................. 56
4.1.4 Rotationssymmetrische und nicht-
rotationssymmetrische Beanspruchungszustände .... 56
4.1.5 Grenzzustände ................................... 58
4.2 Eigenspannungen in der Mehrschichtwandung .............. 59
4.2.1 Eigenspannungsproblematik in Rohrleitungen ...... 59
4.2.2 Eigenspannungen im textilbewehrten
Mehrschichtrohr ................................. 61
4.2.3 Eigenspannungen infolge Kunststoffextrusion
(PI) ............................................ 62
4.2.3.1 Nachweisverfahren ...................... 62
4.2.3.2 Versuchsdurchführung zu
Eigenspannungen im Kunststoffrohr
(PI) ................................... 65
4.2.3.3 Innerer Spannungs- und
Dehnungszustand infolge Extrusion ...... 66
4.2.4 Eigenspannungen infolge Betonerhärtung (PII) .... 71
4.2.4.1 Nachweismethodik ....................... 71
4.2.4.2 Versuchsdurchführung zum
Schwindverhalten der Betonmatrix ....... 72
4.2.4.3 Zeitfunktionsansatz des mittleren
Schwindwertes ecsm ..................... 74
4.2.4.4 Schwind- und Schrumpfdehnungszustand
infolge Hydratation .................... 75
4.2.4.5 Innerer Eigenspannungszustand infolge
Hydratation ............................ 79
4.2.4.6 Eigenschaften des textilbewehrten
Betonelements .......................... 88
4.2.4.7 Eigenschaften des inneren
Kunststoffelements ..................... 89
4.2.4.8 Auswertung des schwindinduzierten
Eigenspannungszustand (PII) ............ 90
4.2.5 Resultierender Eigenspannungszustand in einem
Rohrwandknoten (PI + PII) ....................... 94
4.2.6 Anwendungsbeispiele zum Eigenspannungszustand ... 95
4.2.6.1 Schwindinduzierter
Eigenspannungszustand (PII) ............ 95
4.2.6.2 Überlagerter Eigenspannungszustand
(PI + PII) ............................. 97
4.3 Beanspruchung durch inneren Überdruck .................. 98
4.3.1 Statik des Druckrohrs - Ableitung
Versuchsverfahren ............................... 98
4.3.2 Kurzzeit-Innendruck-Versuche - Verfahren und
Durchführung .................................... 99
4.3.3 Innere Beanspruchung eines geschichteten
Rohrwandknotens bei innerem Überdruck (pi) ..... 104
4.3.3.1 Innere Spannungs- und Dehnungsgrößen
infolge inneren Überdrucks (pi) ....... 104
4.3.3.2 Steifigkeitsverteilung in der
Rohrwandung ........................... 107
4.3.3.3 Eigenschaften des textilbewehrten
Betonelements ......................... 111
4.3.3.4 Eigenschaften des
Kunststoffelements .................... 117
4.3.4 Verallgemeinertes Berechnungsverfahren für
Innendruck ..................................... 118
4.3.5 Rissbildung .................................... 122
4.3.6 Dauerlastabhängiges Kriechverhalten unter
Innendruck ..................................... 124
4.3.6.1 Innendruck-Versuche - Verfahren und
Durchführung .......................... 124
4.3.6.2 Zeitfunktionsansatz ................... 128
4.3.6.3 Prognose des dauerlastabhängigen
Kriechverhaltens unter Innendruck ..... 137
4.3.7 Anwendungsbeispiele für
Innendruckbeanspruchung ........................ 140
4.3.7.1 Spannungs-und Dehnungszustand ......... 141
4.3.7.2 Rissbildung und Rissentwicklung ....... 141
4.3.7.3 Dauerlastabhängiges Kriechverhalten ... 142
4.4 Beanspruchung durch äußeren Überdruck ................. 143
4.4.1 Äußerer Überdruck infolge hydrostatischen
Wasserdrucks ................................... 143
4.4.2 Innere Spannungs- und Dehnungsgrößen
infolge äußeren Überdrucks (pa) ................ 144
4.4.3 Diskussion der Stabilitätsgefahr gegenüber
äußerem Überdruck (pa) ......................... 149
4.4.3.1 Stabilitätsverhalten der Gesamt-
Rohrwandung bei äußerem Überdruck ..... 150
4.4.3.2 Stabilitätsverhalten der
Kunststoffauskleidung gegenüber
äußerem Überdruck ..................... 152
4.5 Beanspruchung durch inneren Unterdruck (Vakuum) ....... 157
4.5.1 Innere Spannungs- und Dehnungsgrößen
infolge Vakuumbelastung ........................ 157
4.5.2 Diskussion der Stabilitätsgefahr gegenüber
Vakuumbelastung ................................ 160
4.6 Biegung des Verbundrohrquerschnitts infolge
Einerdung ............................................. 163
4.6.1 Belastung des erdgebetteten Rohrs .............. 163
4.6.2 Verformungs-, Steifigkeits- und Bruch
verhalten des geschichteten Rohrquerschnitts ... 166
4.6.2.1 Kurzzeit-Scheiteldruck-Versuch -
Verfahren und Durchführung ............ 166
4.6.2.2 Rohrsteifigkeit ....................... 170
4.6.2.3 Maßgebliche Rohrwandknoten ............ 176
4.6.2.4 Bruchmodellierung des
biegebeanspruchten Rohrquerschnitts ... 177
4.6.3 Lösungsansatz zur erdstatischen Berechnung ..... 181
4.6.3.1 Berechnungsverfahren und
erdstatisches Modell .................. 181
4.6.3.2 Boden - Rohrsteifigkeit - Kriterium ... 183
4.6.3.3 Grundlagen und Bestimmung der
vorhandenen Verlege- und
Bettungsbedingungen sowie der
Verkehrs- und Oberflächenlasten ....... 187
4.6.3.4 Iterative Bestimmung der Lasten aus
Hauptverfüllung und Überschüttung
(Bauzustand) .......................... 193
4.6.3.5 Iterative Bestimmung der Lasten aus
Oberflächenlasten p0
(Betriebszustand) ..................... 202
4.6.3.6 Iterative Bestimmung der Lasten aus
Verkehrslasten pv (Betriebszustand) ... 204
4.6.3.7 Rechnerische Ersatz-
Überschüttungshöhe HÜ,E ............... 208
4.6.3.8 Resultierende j-te
Knotenrandspannungen im k-ten
Belastungsschritt ..................... 210
4.6.3.9 Resultierende innere Kraftgrößen
(Mφ, Nφ, Qφ) des j-ten
Rohrwandknotens im k-ten
Belastungsschritt ..................... 214
4.6.3.10 Resultierender
Tangentialspannungszustand (σφ)
des i-ten Elements im j-ten Knoten
im k-ten Belastungsschritt ............ 223
4.6.3.11 Resultierender Schubspannungszustand
(τ) des i-ten Elements im j-ten
Knoten im k-ten Belastungsschritt ..... 229
4.6.3.12 Resultierender
Radialspannungszustand (σr) des
i-ten Elements im j-ten Knoten im
k-ten Belastungsschritt ............... 236
4.6.3.13 Eigenschaften des textilbewehrten
Betonelements ......................... 246
4.6.3.14 Eigenschaften des
Kunststoffelements .................... 250
4.6.4 Auswertung und Diskussion der erdstatischen
Berechnung ..................................... 251
4.6.4.1 Berechnungsablauf und
Berechnungsmodul ...................... 251
4.6.4.2 Exemplarische Auswertung und
Diskussion ............................ 260
4.6.4.3 Anwendungsbeispiele zur
erdstatischen Berechnung .............. 267
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ..................... 274
5.1 Eigenspannungen ....................................... 274
5.2 Beanspruchung durch inneren Überdruck ................. 275
5.3 Beanspruchung durch äußeren Überdruck ................. 277
5.1 Beanspruchung durch inneren Unterdruck ................ 278
5.5 Biegebeanspruchung des Rohrquerschnitts
(Erdverlegung) ........................................ 279
5.6 Abschließende Beurteilung des
Verbundrohrwerkstoffs (TRC, PE) ....................... 282
5.7 Ausblick .............................................. 283
Schrifttum .................................................... 285
Verzeichnis der zitierten Normen und Regelwerke ............... 294
Anhang
A-Anhang Tabellen (nur digital:
CD bzw. ftp://verbund:05022010@ www.iwd.tu-dresden.de) A-I
B-Anhang Teillösungen (nur digital:
CD bzw. ftp://verbund:05022010@www.iwd.tu-dresden.de) B-I
C-Anhang Programmmodule (nur digital:
CD bzw. ftp://verbund:05022010@www.iwd.tu-dresden.de) C-I
D-Anhang Bilder (nur digital:
CD bzw. ftp://verbund:05022010@ www.iwd.tu-dresden.de) D-I
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