Beanspruchung eingeerdeter Rohrleitungen infolge Austrocknung bindiger Böden

Abstract

Rohrnetze stellen meist das größte Anlagevermögen eines Versorgungsunternehmens dar. Ihr Zustand bestimmt die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Versorgung wesentlich. Der Analyse von möglichen Schadensursachen und der Identifikation von Schwachstellen im Netz, die sich aus einem schlechten Leitungs- oder aus einem kritischen Beanspruchungszustand ergeben können, kommt aus diesen Gründen eine große Bedeutung zu. Eine dieser Schadensursachen ist die Beanspruchung von Rohrleitungen infolge der Austrocknung bindiger Böden. Das aus Festsubstanz und Porenraum bestehende Volumen eines bindigen Bodens ist innerhalb bestimmter Ober- und Untergrenzen abhängig von dessen Wassergehalt: Austrocknung führt zum Schrumpfen, Feuchtezunahme zum Quellen des Bodens. Trocknet ein Boden unterhalb einer Rohrleitung aus, führt dies infolge der ausgelösten Setzungsbewegungen zum Absinken dieser Leitung. Ist dieses Absinken an einer oder mehreren Stellen durch Festpunkte behindert, wird die Leitung als Träger beansprucht und somit belastet. Festpunkte, welche die Vertikalbewegung von Rohrleitungen örtlich behindern, sind insbesondere Leitungskreuzungen, Bauwerkseinführungen, Schachtbauwerke und Stellen nichtbindiger Böden sowie große Steine und Mauerwerksbestandteile. Sie sind teilweise das Resultat einer heute als nicht mehr sachgemäß erkannten Verlegeweise. Manche Arten von Festpunkten, beispielsweise Gebäudeeinführungen, sind jedoch prinzipiell nicht vermeidbar. In der vorliegenden Arbeit wird die Größenordnung der aufgrund der beschriebenen Vorgänge unter definierten Randbedingungen auftretenden Belastungen für Rohrleitungen älterer Baujahre aus Grauguss und Stahl rechnerisch untersucht. Die Betrachtungen erstrecken sich dabei auf Festpunktlagerungen, bei denen eine starre Einspannung der Rohrleitung gegeben ist. Außer der Entwicklung der Berechnungsgrundlagen erfolgt eine Beschreibung und Quantifizierung der Einflussgrößen mit Bezug auf die in städtischen Verteilnetzen gegebenen Randbedingungen. Das Schrumpfungsverhalten bindiger Böden und eine Abschätzung des möglichen Ausmaßes der resultierenden Setzungen wird anhand von Informationen aus der Fachliteratur behandelt. Auf der Basis der genannten Grundlagen wird eine Parameterstudie durchgeführt. Im Rahmen der Parameterstudie werden Berechnungsreihen gebildet, bei denen jeweils ein Einflussfaktor geändert wird, während die übrigen Parameter konstant bleiben. Ausgangspunkt der Parameterstudie ist die Betrachtung einer Graugussrohrleitung der Nennweite DN 200, die als Ausgangsbasis für die meisten Berechnungsreihen dient. Bei allen Berechnungen betrugen die Umfangsspannungen nur einen Bruchteil der Längsspannungen. Die maximalen Vergleichsspannungen traten immer in Scheitel und Sohle an der Außenseite des Rohrquerschnitts auf. Die größte Spannungskomponente war jeweils eine Längsspannung, die am Scheitel positiv (Zug) und an der Sohle negativ (Druck) war. Die durchgeführte Parameterstudie gibt weitere Hinweise zum Einfluss wesentlicher Parameter, die unter Berücksichtigung der örtlichen Betriebserfahrungen für eine differenzierte Risikobewertung verwendet werden können. Auf Basis dieser Risikobewertung kann eine Entscheidung über die Notwendigkeit von Rehabilitationsmaßnahmen erfolgen und eine zeitliche Reihenfolge für die Durchführung der als erforderlich betrachteten Maßnahmen festgelegt werden.

Pipeline networks are mostly representing the largest capital assets of a supplying company. Their current state is essentially determining the reliability and safety of the supplying systems. Therefore the analysis of possible damage causes and the identification of flaws in the pipeline networks as a result of a bad state or as a result of critical loading conditions are being of great importance. One of these damage causes is the loading of pipelines as a result of dehydrating cohesive soils. The volume of cohesive soils, consisting out of solid mineral and pore volume, depends on its moisture content in definite limits: decreasing moisture leads to shrinking, increasing moisture leads to swelling of the soil. Dehydration of cohesive soils below pipelines is leading to subsidence of these pipelines because of ground settlement movements. This can cause bending loads, if buried pipelines cannot follow these settlements because of an existing local clamping or support, and the pipeline is loaded like a cantilever. Fixed points, which are impeding the vertical movements of pipelines locally, are mainly pipeline crossings, building insertions, shaft buildings and areas out of non-cohesive soils as well as large stones and brickworks. Partially they are the result of a nowadays not as suitable recognised way of laying. Although some kinds of fixed points, for example building insertions, are generally not avoidable. This thesis examines the order of magnitude of occurring loads by calculation at definite conditions for pipelines of older construction types made out of cast iron and steel as a result of the described processes. The examinations are extended on local supports, which are having a clamping effect on the pipeline. In addition to the development of the calculation basis, a description and quantification of the parameters, referring to the typical conditions at urban supplying networks, is done. The shrinking behaviour of cohesive soils and an estimation of the possible magnitude of the resulting settlements are analysed on the basis of a literature study. A parameter study, which is based on the described basics, is done afterwards. Within the bounds of the parameter study calculation rows are formed, of which one chosen parameter is changed while the others are remaining constantly. Starting point of the parameter study is the examination of a cast iron pipeline with a nominal diameter of 200 millimeters, which is the basis for the most calculation rows. The circumferential stresses have been amounting only a fraction of the axial stresses at all calculations. The highest comparative stresses have been occurring at the pipe crown and at the pipe base in every case. The largest stress component has always been an axial stress with positive value at the crown (tension) an a negative value at the base (compression). The executed parameter study contents hints about the influence of important parameters, which can be used for a sophisticated risk analyses in consideration of the regional operation experiences. On the basis of this risk analysis, decisions about the necessity of rehabilitation measures are possible and a timetable for the execution of the identified rehabilitation needs can be arranged.