Fachbeitrag - Beulen von stählernen Druckschachtpanzerungen unter Außendruck

Projektinhalt – Überblick und behandelte Einzelthemen

Nachfolgend werden die Hauptergebnisse dieses Forschungsprojektes dargestellt, die eine Zusammenfassung des umfassenden Gesamtberichtes [1] darstellen.

Stand der Technik – Kurzfassung

Zu Beginn erfolgt eine kurze Einführung zum Stand der Technik hinsichtlich der Auslegung von Druckrohrleitungen auf Außendruck.

In der Abb. 1 ist die Vorgehensweise schematisch dargestellt. Grundsätzlich stellt die Auslegung der Druckrohrleitung auf Außendruck einen außergewöhnlichen Lastfall bzw. eine außergewöhnliche Betriebssituation dar, da sie den Revisionsfall der leeren Rohrleitung abdeckt, unter Einwirkung des Gebirgswasserdrucks pa. Daher erfolgt im Zuge der Bemessung der Druckrohrleitung zuerst üblicherweise eine Auslegung auf den maßgebenden Innendruck pi, woraus sich die minimale Wandstärke t0 ableitet.

Bei Außendruckbelastung der leeren Rohrleitung führt die Umfangsdruckbelastung im Rohrmantel zur Beulgefährdung des meist dünnwandigen Rohres, sodass die Rohrtragfähigkeit hinsichtlich Außendruck pa signifikant geringer ist als hinsichtlich Innendruck pi. Bei vergleichsweise geringem Außendruck, der nur zu einem moderaten Anstieg der erforderlichen Rohrwanddicke t führt, wird weiterhin ein glattes unversteiftes Rohr ausgeführt.

Abb. 1: Prinzipielle Nachweisführung bei Außendruckbelastung nach Stand der Technik (Stabilitätsgefährdung des Rohres)

Der übliche Nachweis (N1 in Abb.1) beinhaltet den Beulnachweis am ebenen Modell (2D-Modell), unter Berücksichtigung der Stützwirkung des Rohres durch das umgebende Gebirge bzw. den umgebenden Betonmantel. Stand der Technik ist meist die Anwendung der Theorie von Amstutz [2], [3], [4], mitunter mit entsprechenden Adaptierungen und Vereinfachungen. Diesen Ansätzen gemeinsam ist die Annahme einer starren Stützwirkung durch Beton bzw. Gebirge, die Erfassung von geometrischen Imperfektionen in Form von Ringspalt und Unrundheit und eine - wie erwähnt - ebene Betrachtung. Allfällige durch den Reibschluss entstehende Druckspannungen σx in Rohrlängsrichtung bleiben unberücksichtigt.

Bei höherem Außendruck, der eine unverhältnismäßig große Wanddickenerhöhung infolge des Außendrucks pa bewirken würde (t >> t0), wird ein ringversteiftes Rohr ausgeführt. Durch enge Ringabstände eRing muss die Wanddicke t0 aus der Innendruckbemessung mitunter gar nicht erhöht werden.

Beim ringversteiften Rohr erfolgen zwei unabhängige Nachweise, die schematisch in Abb. 1 dargestellt sind:

  • Beulnachweis N1 des Ringes mit implizit voll mitwirkendem Rohr
  • Beulnachweis N2 des isoliert betrachteten Rohres, zwischen jeweils zwei Ringsteifen, als dünnwandiger Zylinder

Bei beiden Beulnachweisen bleiben allfällige begleitende Rohrlängsspannungen aus dem Reibschluss unberücksichtigt (ungünstig, da aus Querkontraktionswirkung Druckspannungen σx entstehen).

Offene Problemstellungen – Ausgangslage im Projekt

Wie einleitend dargestellt, sind entsprechend Abb. 1 die beiden unterschiedlichen Ausführungsformen – entsprechend der Höhe der vorhandenen Außendruckbelastung pa – zu unterscheiden.

Am unversteiften Rohr erfolgt der alleinige entsprechende Beulnachweis N1 für die Außendruckbelastung pa. In Abb. 2 sind die dabei berücksichtigten Randbedingungen nochmals zusammenfassend dargestellt. Mit dem analytischen Formelapparat kann ein anfänglicher Initialspalt j sowie eine vorhandene Unrundheit des Rohres (Ersatzradius R* anstatt R) miterfasst werden, bei starrer radialer Stützung des Rohres durch Betonmantel bzw. Gebirge.

Abb. 2: Unversteiftes Rohr – wesentliche Randbedingungen bei Nachweis N1, Beulnachweis unter Außendruck pa

Folgende offene Problemstellungen wurden in diesem Projekt näher untersucht:

  • Auswirkungen realitätsnaher Rohrimperfektionen
    • Erfassung des elliptischen Rohres im Fall von Rohrovalitäten, anstatt fiktiv erhöhtem Radius R*
    • Schweißeinzug, infolge von Rohrlängsnähten
  • Öffnungswinkel α im Beulfall, zur Wahl der zutreffenden Schablone für Imperfektionsmessungen bei der stahlbaulichen Abnahme
    • aktuell wird in der Praxis immer von α = 25° ausgegangen, und somit einer Messschablone mit dem Öffnungswinkel von 50° (2 ∙ α).
  • Auswirkungen einer nachgiebigen Bettung des Rohres in radialer Richtung
  • Auswirkungen der verschiedenen vorgeschlagenen Lösungen in der Ingenieurpraxis
    • Vergleich der Lösungen nach Amstutz [2] – [4], Montel [5], Jacobsen [6] und Wieser [7]
  • Treffsicherheit der analytischen Lösung nach Amstutz mit zutreffenderem FEM-Ansatz
  • Auswirkungen zusätzlicher Druckspannungen σx in Rohrlängsrichtung, infolge des Reibschlusses – Dies kann durch FEM-Berechnungen am 3D-Modell untersucht werden

Beim ringversteiften Rohr beinhaltet die übliche Vorgehensweise in der Praxis, wie einleitend anhand Abb. 1 gezeigt, eine isolierte Betrachtung von:

  • Beulnachweis N1 des Ringes mit mitwirkendem Rohr
  • Beulnachweis N2 des freitragenden Rohres zwischen den als starr angesehenen Ringsteifen

Die Annahmen zum Beulnachweis N1 sind in Abb. 3 noch etwas detaillierter dargestellt. Die vorgeschlagene Vorgehensweise nach Amstutz/Feder [8] führt grundsätzlich zu einer Überschätzung der Tragfähigkeit, wie in diesem Forschungsprojekt erstmals gezeigt werden konnte. Einerseits dadurch, dass die Beultragfähigkeit des Rohres zwischen den Ringsteifen (vgl. Nachweis N2) mitunter deutlich geringer ist, als jene des Ringes inklusive des mitwirkenden Rohres. Andererseits wird implizit unterstellt, dass die Verformungen w (vgl. Abb. 3) im Ring und dazwischenliegendem Rohr gleich groß sind. Das Rohr zwischen den Ringen verformt sich jedoch aufgrund der Außendruckbelastung in der Mitte zwischen den Ringen deutlich mehr als der Ring selbst und somit werden die Biegemomente in der Schale unterschätzt. Darüber hinaus sind die Normalspannungen im Ringbereich aus der Normalkraft im Modell sogar deutlich geringer als im Rohr, sodass die Biegemomententragfähigkeit des Ringes überschätzt wird.

Abb. 3: Bestimmung der Ringtragfähigkeit, a.) Ansatz nach Feder (bzw. Amstutz) zur Bestimmung der Steifigkeiten und Schnittkräfte, b.) Begründung für Überschätzung der Tragfähigkeit

Zu den Annahmen zum Beulnachweis N2 des Rohres zwischen den Ringsteifen sei nochmals auf Abb. 1 verwiesen.

Einerseits erfolgt hier der konservative Ansatz, dass die Bettung des Rohres vollständig vernachlässigt wird (Betrachtung als freitragendes Rohr unter Außendruck p0 bzw. pa). Andererseits wird eine starre Lagerung in den Achsen der Ringsteifen vorausgesetzt, die – wie die Ergebnisse der realitätsnahen 3D-Berechnungen in diesem Projekt zeigten – in manchen Fällen nicht gegeben ist. Darüber hinaus bleiben die Längsspannungen σx gänzlich unbeachtet, die sich durch die in Rohrlängsrichtung unverschiebliche Lagerung der Ringsteifen (im umgebenden Beton einbetoniert) ergeben (σx = v ∙σθ). Somit ist ohne eine zutreffende realitätsnahe Modellbildung an einem räumlichen Gesamtmodell (vgl. Abb. 4) nicht objektiv feststellbar, ob der Beulnachweis N2 tatsächlich die Gesamttragfähigkeit unterschätzt oder nicht.

Vor diesem Hintergrund ist verständlich, dass zur zutreffenden Ermittlung der Beultragfähigkeit des ringversteiften Rohres zwingend eine räumliche 3D FEM-Analyse notwendig wird, wie beispielhaft in Abb. 4 dargestellt. Durch Variation des Ringabstandes eRing ergeben sich die in Abb. 4 dargestellten Grenzfälle:

  • annähernd gleichzeitiges Erreichen der Tragfähigkeit von Ring und Rohr zwischen den Ringen bei kurzen Ringabständen (linkes Teilbild)
  • Grenztragfähigkeit primär durch das Rohr zwischen den Ringen bestimmt, im Falle kräftiger Ringe und größerem Ringabstand (rechtes Teilbild)
Abb. 4	Zutreffende FE-Modelle zur Abbildung des realen Beultragverhaltens bei Außendruckbelastung pa, Darstellung der Vergleichsspannungen σv (Membranspannungen) im Traglastzustand

Abb. 4: Zutreffende FE-Modelle zur Abbildung des realen Beultragverhaltens bei Außendruckbelastung pa, Darstellung der Vergleichsspannungen σv (Membranspannungen) im Traglastzustand

Folgende Problemstellungen werden in diesem Projekt näher untersucht:

  • Analyse des realen Tragverhaltens von ringversteiften Rohren unter Außendruck an repräsentativen Anwendungsbeispielen
    • Variation des Ringabstandes eRing
    • Vergleich der realen Tragfähigkeit mit Beulnachweisen N1 und N2 nach Abb. 1
  • Auswirkungen der Druckspannungen σx in Rohrlängsrichtung
    • Simulationen mit/ohne σx aus dem Reibschluss (σx = ν ∙ σθ)
    • Simulation von höheren Längsdruckspannungen, infolge Rohrlängskräften (infolge Temperaturzwang bzw. Deckeldruck)
  • Auswirkung von Rohrimperfektionen
    • Unrundheit, konstant in Rohrlängsrichtung oder primär nur zwischen den Ringsteifen