Auf dem Prüfstand:

Druckübertragungsringe aus Holzwerkstoffen

AACHEN, 11.12.2014 – Wie gut eignet der Holzwerkstoff elka strong board (esb) als neuartiges Fugenzwischenlagenmaterial im Rohrvortrieb? Das sollte in einer Versuchsreihe des Lehrstuhls und Instituts für Baubetrieb und Projektmanagement (IBP) der RWTH Aachen geklärt werden.

Vortriebsrohr DN2800 mit zweilagigem OSB-Druckübertragungsring auf dem Rohrspiegel | Fotos: RWTH Aachen

Von Markus Kirchhartz und Friederike Ufermann  

Ein wesentliches Ziel von Forschung und Entwicklung beim Rohrvortrieb ist es, das Bauverfahren durch eine Minimierung von Schadensrisiken zunehmend sicherer zu gestalten. Die Optimierung der Kraftübertragung in den Rohrfugen stellt in diesem Kontext einen wesentlichen Ansatzpunkt dar. Neben den konventionellen Druckübertragungsringen aus Holzwerkstoffen existieren inzwischen alternative Materialien und Methoden zur verbesserten Übertragung der Vortriebskräfte in der Rohrverbindung.

Anforderungen an Fugenzwischenlagenmaterialien

Die Vortriebsrohre werden sowohl im Bau- als auch im Betriebszustand in Längs- sowie Querrichtung belastet. Dabei ist zwischen inneren und äußeren Einwirkungen zu unterscheiden. Die maßgeblichen Belastungen während des Einbauzustandes resultieren aus Vorpresskräften der Haupt- und Zwischenpressstationen sowie Steuerbewegungen und beanspruchen die Rohre hauptsächlich in Längsrichtung. In der Betriebsphase ist die Querbelastung des Leitungsbauwerks maßgebend zu berücksichtigen. Exemplarisch anzuführen sind Einwirkungen, die aus dem Eigengewicht des Leitungsbauwerks sowie Erdlasten entstehen.

Die Eigenschaften und die Formgebung der unterschiedlichen Druckübertragungsmittel beeinflussen die mögliche Belastbarkeit der Vortriebsrohre während des Einpressvorgangs grundlegend. Folglich müssen diese bestimmte Eigenschaften aufweisen, um den charakteristischen Anforderungen an Fugenzwischenlagenmaterialien gerecht zu werden. Gemäß des Arbeitsblattes DWA-A 125 der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. müssen Druckübertragungsringe dementsprechend folgende Aufgaben erfüllen:
  • Ausgleich der Unebenheiten in den Rohrspiegelflächen
  • Ausgleich der Abweichungen von der Rechtwinkligkeit
  • Sicherstellung der Abwinkelbarkeit bei Kurvenfahrten
  • Sicherstellung der Abwinkelbarkeit bei Steuerbewegungen.

Infolgedessen sollten geeignete Materialien und Methoden zur Druckkraftübertragung in den Rohrfugen neben einer ausgeprägten dauerelastischen Verformungseigenschaft eine geringe plastische Deformation unter Druckbeanspruchung aufweisen. So kann die Fähigkeit des Druckübertragungsmittels, die auftretenden Vortriebskräfte sicher zu übertragen durch ein ausreichendes elastisch-plastisches Verformungsvermögen des Werkstoffes während des gesamten Vortriebsprozesses sichergestellt werden. Aus der Querdehnung des Materials resultiert eine zusätzliche Belastung durch Querzugspannungen. Folglich ist eine möglichst geringe Querverformung bei der Auswahl eines geeigneten Fugenzwischenlagenmaterials ebenfalls zu beachten. Neben den materialspezifischen Anforderungen stellen letztlich die Wirtschaftlichkeit und Handhabung bei der Entscheidung für ein Druckübertragungsmittel den zentralen Aspekt dar.

Draufsicht und Profilansicht vor der zyklischen Be- und Entlastung...

Versuchsreihe mit esb - elka strong board P5

 
Bei den im Rahmen der durchgeführten Materialprüfung am Lehrstuhl und Institut für Baubetrieb und Projektmanagement der RWTH Aachen University untersuchten Probestücken handelt es sich um den Holzwerkstoff elka strong board – P5 der Firma elka Holzwerke GmbH. Dieser besteht aus länglichen Frischholzspänen mit einer homogenen Spangröße aus meist heimischem Fichtenholz, wodurch eine hohe Qualität des Werkstoffs erreicht wird (Quelle: http://www.elka-holzwerke.de/ESB/esb.html (Produktinformation).
Den Ausgangspunkt für die durchgeführte Untersuchungsreihe bilden die laut Herstellerangaben günstigeren Werte der Festigkeit und der Elastizitätsmoduln gegenüber OSB. Zudem stellt der potenzielle Kostenvorteil von esb gegenüber OSB bei der Verwendung als Fugenzwischenlagenmaterial einen aus wirtschaftlicher Sicht interessanten Aspekt dar.
Das Ziel der Materialprüfung ist es, die Eigenschaften von esb zu untersuchen und damit eine Einschätzung bzgl. der Eignung des Holzwerkstoffes für den Einsatz als Druckübertragungsmittel im Rohrvortrieb zu erhalten.
... und nach der zyklischen Be- und Entlastung (Standardprüfung).
a) Standardprüfung gemäß DWA-A 161
Die Ergebnisse der durchgeführten Standardprüfungen sind Angaben zum elastischen und plastischen Verformungsverhalten der untersuchten Proben. Diese sind ähnlich den übrigen Holzwerkstoffen abhängig von der Höhe und Anzahl der Druckbelastungen, was sich in einem nicht-linearen Verlauf des Druckspannungs-Stauchungsdiagramms zeigt. Während die plastische Verformung mit zunehmender Belastung steigt, verhält sich die elastische Verformung dieses Materials nahezu konstant. Zu erkennen ist eine zunehmende Verfestigung des Materials. Eine signifikante Querverformung sowie Rissbildung der esb-Proben ist nicht beobachtbar.
Ein Vergleich mit den Ergebnissen bereits durchgeführter Standardprüfungen von OSB-Platten zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften der esb-Prüfkörper in etwa den elastischen und plastischen Verformungseigenschaften einer OSB-Platte entsprechen.
 
b) Berechnung der maximal zulässigen Vorpresskraft
Im Rahmen einer exemplarischen Berechnung zur Bestimmung der maximal zulässigen Vorpresskraft nach DWA-A 161 wurden unterschiedliche Vortriebssituationen modelliert. In der Auswertung wurden dazu Rohr-, Druckübertragungsring- und Trassenparameter variiert, so dass als Ergebnis Vergleichswerte generiert werden konnten. Die Gegenüberstellung zeigt deutlich, dass die zulässigen Vorpresskräfte der esb-Platte in ihrer Größenordnung mit den Kennwerten von Span- und OSB-Platte annähernd vergleichbar sind. Ebenso ist, analog zu den übrigen Holzwerkstoffen, die Tendenz zu beobachten, dass mit einer geringeren Schichtdicke und/oder größeren Fugenverwinklungen (als Resultat planmäßiger und unplanmäßiger Verwinklungen) eine zunehmende Reduktion der maximal zulässigen Vorpresskraft verbunden ist.
Der Vergleich der zulässigen Vorpresskräfte macht deutlich, dass sich der Holzwerkstoff esb-P5 als Fugenzwischenlagenmaterial im Rohrvortrieb aufgrund seiner materialtechnischen Eigenschaften grundsätzlich gut eignet. Die Resultate der Untersuchungen zeigen jedoch ebenfalls auf, dass die Wirksamkeit von Holz bzw. Holzwerkstoffen als Fugenzwischenlagenmaterial beim Rohrvortrieb eingeschränkt ist. Die Eigenschaft eines Druckübertragungsrings aus Holzwerkstoffen, die auftretenden Druckkräfte durch eine Vergrößerung der lastübertragenden Fläche zuverlässig auf die Rohrspiegelflächen zu übertragen, geht durch eine zunehmende Verfestigung des Materials unter hoher Druckbeanspruchung zunehmend verloren.
Ergebnisse der Standardprüfung: Plastische Verformung unter zyklischer Belastung.

Die Autoren
Markus Kirchhartz, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl und Institut für Baubetrieb und Projektmanagement der RWTH Aachen University. Friederike Ufermann, B. Sc., ist studentische Hilfskraft am Lehrstuhl und Institut für Baubetrieb und Projektmanagement der RWTH Aachen University.

Einen ausführlichen Bericht lesen Sie in der nächsten bi-UmweltBau.