Verfüllmaterialien im Rohrleitungsbau – Bettungseigenschaften · F+E-Projekt “Ausführungsrisiken beim Einsatz von Bettungs- und Verfüllmaterialien im Rohrleitungsbau“ gefördert

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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

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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

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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

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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



Vorgehensweise



• Versuchsaufbau

• Messtechnik

• Versuchsablauf


•Phase 1 Zustand nach Einbau

•Phase 2 Veränderung durch Dielenziehen


•Bettung

•Rohrbeanspruchung

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Grundriss Großversuchsstand mit 5 Kammern

Versuchsaufbau

verfüllte Kammer

7



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



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

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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



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

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Vorgehensweise



• Versuchsaufbau

• Messtechnik

• Versuchsablauf





•Bettung


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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



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

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MGM

WBM

EKB

RSS

KSG

Kontakt-spannung

[MPa]

klein

groß

links rechts

Roh

rsoh

le

Versuchsergebnisse

Phase 1

15



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



Messstern

ungleichmäßigeBettung

gleichmäßigeBettung

kaum messbar, rapides Versagen


ungleichmäßigeBettung

KSG

EKB

RSS

WBM

MGM

Phase 1 - Einbauzustand

Versuchsergebnisse

Phase 1

Folienmessung

Spannungs-konzentration





DMS

leicht größer

leicht kleiner

größer

leicht kleiner

leicht größer

17



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

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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



MGMWBM

KSG

EKB

RSS

Versuchsergebnisse

Phase 2

20



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


max. Erhöhung Spannungs-

konzentration


Erhöhung Spannungs-

konzentration

DMS

kaum Reaktionsymmetrisch

kaum Reaktionsymmetrisch

Dehnungszuwachs Faktor 2

asymmetrisch


asymmetrisch


asymmetrisch

Versuchsergebnisse

Phase 2

21



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

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Vorgehensweise



• Versuchsaufbau

• Messtechnik

• Versuchsablauf





•Bettung


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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




Ziehen Spunddielen (Phase 2)

xxx

x

xxx

x

Rohrbeanspruchung


xoxx-MGM

WBM

EKB

RSS

KSG

++

- -

++

-

Bettung




Einbauzustand (Phase 1)

xxx

xx

xxx

xx

Rohrbeanspruchung


++

-

++

-

Bettung




Ziehen Spunddielen (Phase 2)

xxx

x

xxx

x

Rohrbeanspruchung


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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

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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

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