Ermittlung mechanischer Kennwerte für Schlauchliner unter Innendruck

SAERBECK, 09.01.2017 – Für Standsicherheitsnachweise von unabhängigen und vollständig belastbaren Schlauchlinern in nicht dauerhaft tragfähigen Abwasserdruck- oder Wassernetzen gibt es keine eindeutige normative Vorgabe. Daher wird folgend ein Format für die Nachweisführung vorgestellt und auf Saertex-Liner Pressure und Saertex-Liner H2O angewendet.

Von Dr. Ricky Selle und Dr. Nils Füchtjohann

Innendruck-Zeit-Diagramm Schlauchliner
Abb. 1: Kurve aus Berstdruckversuch mit Liner DN 300 (Wanddicke = 6,3 mm) | Grafik: IMA Dresden
Leitungsnetze der stadttechnischen Infrastruktur weisen in bestimmten Sparten Betriebsdrücke auf, die für ihre Bemessung, d.h. für die Dimensionierung und Materialauswahl der Leitungen maßgebend sind. Die Netze sind historisch gewachsen. Wasser-, Abwasserdruck-, Gas- und Fernwärmenetze wurden und werden in der Regel für eine technische Nutzungsdauer von etwa 50 Jahren ausgelegt. Damit erreichen erhebliche Teilmengen dieser Infrastruktur in absehbarer Zeit zumindest das rechnerische Ende der Bemessungszeiträume, teilweise ist dieses auch schon erreicht. Es ist zu erwarten, dass die wichtigsten und ältesten Leitungsbereiche auch den dringendsten und größten Sanierungsbedarf aufweisen werden.
Eine Erneuerung der durch Alterung geschädigten Leitungen in zumeist innerstädtischen Bereichen mit hohen ober- und unterirdischen Infrastrukturdichten ist mit hohen Kosten verbunden. Daher wächst der Bedarf nach geregelten Sanierungsverfahren für die Versorgungsnetze, der sich auch in der aktuellen internationalen und nationalen Normungstätigkeit widerspiegelt. Auf der ISO-Ebene werden momentan verschiedene zusammenhängende Regelwerke für eine Vielzahl von Technikfamilien für Sanierungsverfahren im Druckbereich – Wasser, Abwasser und Gas – bearbeitet.
Diagramm Schlauchliner unter Innendruck
Abb. 2: Diagramm mit Bruchpunkten im Zeitstand-Innendruckversuch | Grafik: IMA Dresden

1.    Nachweisformat für CIPP in nicht dauerhaft tragfähigen Druckrohren

Im Folgenden wird das Sanierungsverfahren der Vor-Ort-härtenden-Schlauchliner (cured-in-place-pipes, CIPP) behandelt, das Gegenstand der sich im Entwurfsstand befindlichen ISO/CD 11297-4 (Draft) ist. Für den speziellen Anwendungsfall der CIPP in nicht dauerhaft tragfähigen Abwasserdruckrohren wird in Ermangelung einer eindeutigen normativen Vorgabe ein Format für den Standsicherheitsnachweis vorgestellt.
Da die Beanspruchungen für CIPP in Abwasserdruck- und Wasserleitungen grundsätzlich sehr ähnlich sind, gelten die Aussagen im Wesentlichen für beide Bereiche. Das vorgestellte Nachweisformat bezieht sich auf die sogenannten unabhängigen und voll statisch belastbaren CIPP der Klasse A nach DIN EN 11295. Diese Produkte werden in der Regel da angewendet, wo der Innendruck nicht mehr dauerhaft vom Bestandsrohr aufgenommen werden kann.
Für Sanierungsverfahren mit Linern der Klasse A unter Innendruck werden seit einigen Jahren verschiedene Produkte auf dem Markt angeboten, wobei die Installation von CIPP mit größeren Nennweiten unter vergleichsweise hohen Betriebsdrücken nach wie vor keine Standardsanierung darstellt.
Das vorgestellte Nachweisformat für CIPP unter Innendruck in nicht dauerhaft tragfähigen Druckrohren wird im Folgenden auf die Produkte Saertex-Liner Pressure und Saertex-Liner H2O angewendet, um die entsprechenden Nenndruckwerte zu berechnen. Die Produkte unterscheiden sich aufgrund der identischen Laminatkonstruktion hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften nicht. Letztgenanntes System verfügt jedoch neben der jeweils vorhandenen Innenbeschichtung als Styrolbarriere auch über ein styrolfreies Harzsystem, das eine Trinkwasseranwendung erlaubt.

2.    Normative Grundlagen

Vor dem Hintergrund mangelnder Regelwerke für CIPP der Klasse A in dauerhaft nicht tragfähigen Druckrohren wird in der Praxis oft das Formelwerk des Standards ASTM F1216-09 als Instrument für den Standsicherheitsnachweis verwendet. Hier findet sich für CIPP eine Gleichung zum Standsicherheitsnachweis, die im Grunde eine Umformung der sogenannten Kesselformel unter Beachtung eines globalen Sicherheitsniveaus (N = 2) ist. Obwohl die Anwendung des Regelwerks ASTM F1216-09 für die Nachweisführung eine deutliche Vereinfachung der Einwirkungssituation darstellt, führt sie für CIPP unter Innendruck in der Regel zu hinreichend sicheren Ergebnissen.
Mit Blick auf das Erfordernis, ein fundiertes Regelwerk für Standsicherheitsnachweise für CIPP unter Innendruck in nicht dauerhaft tragfähigen Druckrohren zu schaffen, wurde im März 2015 innerhalb der German Society for Trenchless Technologies e.V. (GSTT) eine entsprechende Arbeitsgruppe gebildet. Die Beratungen zu den komplexen Fragestellungen der Problematik dauern an.
Die sich im Entwurfsstand befindliche ISO/CD 11297-4 (Draft) beschreibt als Regelwerk die Ermittlung der mechanischen Kennwerte von CIPP unter Innendruck. Diese werden als Widerstände gegenüber den inneren und äußeren Beanspruchungen die Grundlage der Standsicherheitsnachweise bilden. Ein Teil dieser Kennwerte wird auch speziellen Nachweisen an Fehlstellen der Bestandsrohre wie Löchern oder Muffenspalten, die hier nicht Gegenstand sind, zugrunde liegen.

Innendruck Schlauchliner Messung
Abb. 3: Saertex-Liner H2O während der Druckprüfung in Sande/Norwegen

3.    Beschreibung des Nachweisformats

Es ist naheliegend, das Format für Standsicherheitsnachweise von CIPP der Klasse A in nicht dauerhaft tragfähigen Druckrohren, d.h. von Linern unter Beanspruchungen mit Innendruck und äußeren Lasten, an das von erdverlegten GFK-Rohren anzulehnen. Diese erfahren im Bemessungsfall das gleiche Prinzip von überlagerten Zugnormal- und Biegezugspannungen.
In den Regelwerken ISO/TR 10465-3 bzw. American Water Works Association (M45) finden sich nahezu identische Formelwerke zu dehnungsbasierten Bemessungsansätzen auf der Grundlage von mechanischen Langzeit-Eigenschaften, wobei die Technische Regel ausdrücklich auf eine Vorgängerversion des US-amerikanischen Regelwerks verweist.
Der Standsicherheitsnachweis für CIPP kann durch die Überlagerung von Zug- und Biegezugdehnungen im Anfangszustand wie in den beiden vorgenannten Regelwerken geführt werden.

4.    Ermittlung von mechanischen Kennwerten

Die beiden entscheidenden Kennwerte für die Bemessung der Produkte, die Zugbruchdehnung und der Abminderungsfaktor für die Zugfestigkeit zur Ermittlung von HDB wurden durch Berstdruckversuche nach ISO 8521 und Zeitstand-Innendruckversuche nach ISO 7509 und ISO 10928 an der IMA Dresden bestimmt.
Da die Ausführung der Liner-Konstruktion einen großen Einfluss auf die Zugfestigkeit hat, wurden Berstdruckversuche mit verschiedenen Konstruktionen und Nennweiten durchgeführt. Die nennweitenabhängigen Berstdrücke, die die wesentliche Grundlage für die folgenden Berechnungen darstellen, nehmen nicht proportional mit der Wanddicke zu.
In Abb. 1 ist beispielhaft eine Kurve aus dem Berstdruckversuch mit der Nennweite DN 300 dargestellt.
In Auswertung der Zeitstand-Innendruckversuche ergibt sich der Abminderungsfaktor für die Zugfestigkeit auf der Grundlage der Kurven des Diagramms in Abb. 2.

5.    Nenndruckwerte für Saertex-Liner Pressure und Saertex-Liner H2O

Im Folgenden wird die Ermittlung der Nenndruckwerte bzw. PN-Werte für die Produkte Saertex-Liner Pressure bzw. Saertex-Liner H2O in nicht dauerhaft tragfähigen Druckrohren beschrieben. Dabei werden die jeweiligen Ausgangswerte für die Berechnungen angegeben. Bei der Festlegung der nennweitenabhängigen PN-Werte werden nur Sicherheiten auf der Widerstandsseite berücksichtigt.
Den Nenndruckstufen in der Tabelle „Nenndruckstufen Saertex-Liner Pressure und Saertex-Liner H2O“ liegen auf der Widerstandseite die innendruckabhängigen Sicherheiten FSd zugrunde, wie sie in Tabelle 15 der DIN EN 14364 gegeben sind. Diese Sicherheiten sind größer als der vom Innendruck unabhängige Kennwert im DWA-A 143-2, M = 1,35.

Als geometrische Kennwerte werden in den Berechnungen die Nenndurchmesser und -wanddicken angesetzt. Die Wanddicken sind das Ergebnis von Betrachtungen zur Mindestringsteifigkeit der Liner, wie sie beispielsweise für die Stabilität unter äußerem Wasserdruck nach DWA-A 143-2 gefordert werden.
Die Materialkennwerte wie E-Modul, Zug und Biegung, sowie Biegezugfestigkeit, Kurz- und Langzeit werden der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung des DIBt für den Saertex-Liner Premium (AbZ Z-42.3-350) entnommen. Der Abminderungsfaktor für die Zugfestigkeit entspricht dem Verhältnis der Mittelwerte von Kurzzeit- und Langzeit-Versagensdruck, wie er im vorgenannten Zeitstand-Innendruckversuch ermittelt wurde (Abb. 2) und beträgt A1 = 1,41.
Für die Dehnungen infolge Biegung aus äußeren Lasten wird eine elastische Ringverformung von 3 % angenommen, was als Abschätzung auf der sicheren Seite gelten kann. Diese Ringverformung wird in die entsprechenden Biegedehnungen umgerechnet, wobei der Beitrag dieser Dehnungen für die Bemessung der CIPP insgesamt von untergeordneter Bedeutung ist. Mit den zuvor beschriebenen Annahmen ergeben sich nennweitenabhängige PN-Werte, wie in der Tabelle dargestellt.
Nennweitenabhängige PN-Werte
Nenndruckwerte Saertex-Liner Pressure und Saertex-Liner H2O

6.    Anwendungsbeispiele für die Saertex-Liner

Im März 2016 wurde der Saertex-Liner H2O erstmals in der ca. 100 Jahre alten Betonrohr-Transportleitung des Colorado Barker Damm installiert, der Hauptversorgungsleitung der Stadt Boulder im US-Bundesstaat Colorado. Aufgrund altersbedingter Korrosion, auftretender Haarrisse und undichter Rohrverbindungen musste ein Abschnitt von einer Gesamtlänge von 305 m saniert werden. Dieser Bereich der Betonrohre mit DN 914 (36‘‘) wurde in vier Abschnitte unterteilt und mithilfe von Schlauchlinern (Wanddicke = 7 mm) saniert.
Im Mai 2016 wurde die Trinkwasserversorgungsleitung in der norwegischen Gemeinde Sande mithilfe des Saertex-Liner H2O (Wanddicke = 4,3 mm) auf einer Länge von 500 m saniert. Für die Anforderungen dieser Sanierung brachte das eingesetzte Verfahren eines selbsttragenden Klasse-A-Liners ausgezeichnete Voraussetzungen mit, da es ansatzlos durch die stillgelegten Schächte installiert werden konnte. Die Installation der Liner erfolgte in zwei Abschnitten von je 250 m, danach wurde das Zusammenlegen der Leitungen koordiniert sowie eine Druckprüfung vorgenommen (Abb. 3).
Die erforderlichen Standsicherheitsnachweise für das System mit einem Betriebsdruck von 9 barü bzw. einem Prüfdruck von 16 barü konnten mit dem Saertex-Liner H2O auf einem hohen Sicherheitsniveau erbracht werden. Die minimale Reduktion des Innendurchmessers um 3,4 Prozent bei gleichzeitiger Optimierung der Oberflächenstruktur der Rohrinnenwand führt zu keiner maßgebenden Veränderung der Durchflusswerte für das System.

Einzug eines Schlauchliners in Amerika
Abb. 4: Saertex-Liner H2O während des Einzugs in Boulder, Colorado/USA | Fotos: SMC

7.    Fazit

Es ist zu erwarten, dass mittelfristig die wichtigsten und ältesten Leitungsbereiche der stadttechnischen Infrastruktur auch den dringendsten und größten Sanierungsbedarf aufweisen werden. Betroffen sind verschiedene Netze mit Druckrohrleitungen. Für die unabhängigen und voll statisch belastbaren Schlauchliner in nicht dauerhaft tragfähigen Abwasserdruck- oder Wassernetzen wird in Ermangelung einer eindeutigen normativen Vorgabe ein Format für den Standsicherheitsnachweis vorgestellt. Der Nachweis ist an die Bestimmungen für erdverlegte GFK-Rohre angelehnt. Mit den vorgelegten Berechnungsansätzen werden für die Saertex-Liner Pressure und Saertex-Liner H2O Nenndruckwerte ermittelt. bi

Einen ausführlichen Bericht lesen Sie in unserer aktuellen Ausgabe (6/16) der B_I umweltbau.