Fachbeitrag - Beulen von stählernen Druckschachtpanzerungen unter Außendruck

Wesentliche Ergebnisse – unversteiftes Rohr

Die Berechnungen am räumlichen Modell zeigten, dass die durch den Reibschluss zwischen Rohr und umgebenden Beton auftretenden zusätzlichen Längsdruckspannungen aus behinderter Querkontraktion
x = v ∙ σθ) bei der Ermittlung des kritischen Außendrucks vernachlässigbar sind. Es kann somit von einem ebenen Modell bei der Berechnung ausgegangen werden.

Eine vereinfachte analytische Berechnung mit starrer radialer Bettung, unter Ansatz eines konstanten Radius R* ist möglich wenn:

  • der Verformungsmodul des umgebenden Gebirges VF ≥ 4000 N/mm² beträgt
  • die nachfolgend genannten Imperfektionen eingehalten sind:
    • Schweißnahtversatz e ≤ 2 mm
    • Schweißnahteinzug e ≤ 2 mm (für R/t > 100)
    • Schweißnahteinzug e ≤ 5 mm (für R/t ≤ 100)
    • Initialspalt j: j/R ≤ 0,001

Für eine analytische Berechnung des kritischen Außendrucks, unter Ansatz eines konstanten Radius R*, ergeben sich aus der vollständigen Parameterstudie (Variation von: Rohrschlankheit R/t; Fließgrenze fy) folgende Hinweise:

  • die Lösung nach Amstutz, ergänzt um die Kontrolle des Durchschlagens, liefert die zutreffendsten Ergebnisse. Dabei dürfen der E-Modul und die Fließgrenze, infolge behinderter Querkontraktion, erhöht werden zu:

Abbildung 5 zeigt eine aufbereitete Lösung für die Praxis.

  • die vereinfachte Lösung nach Amstutz [4] liefert durchgehend konservative Werte (Einbuße an Tragfähigkeit 5 – 15 %)
  • die weitere Erhöhung der Fließgrenze nach Amstutz [4], um den Faktor μ, liefert unsichere Ergebnisse und sollte nicht angewendet werden
  • die Lösung nach Jacobsen [5] liefert auch recht gute Ergebnisse, mit Überschätzungen des kritischen Außendrucks von maximal 3 % bei geringer Rohrschlankheit
  • die Lösung nach Montel [6] ist ungeeignet, da die Tragfähigkeit mitunter weit überschätzt wird
  • die Lösung nach Wieser [7] weist ebenfalls unbefriedigende Ergebnisse auf, mit Unterschätzung des kritischen Außendrucks bei geringer Rohrschlankheit (- 15 %) und Überschätzung bei großer Rohrschlankheit und hoher Fließgrenze
Abb. 5	Lösung nach Amstutz ohne Vereinfachungen mit u/t = 0.3 und j/R = 0.0003

Abb. 5: Lösung nach Amstutz ohne Vereinfachungen mit u/t = 0.3 und j/R = 0.0003 für verschiedene Stahlfestigkeiten (Fließgrenze fy in N/mm2)

Bei der analytischen Lösung ist die Größe des Initialspaltes zu berücksichtigen. Der Ersatzradius R*, der geometrische Imperfektionen miterfasst, ist wie folgt zu ermitteln (Maximalwert R* ist maßgebend):

  • Erfassung der Unrundheit u mit der üblichen „Montelschablone“ (Bestätigung durch Parameterstudie, vgl. Abb. 6), wobei in der Regel u = 0,3 ∙ t gilt, sodass sich R* nach Gl. (3) ergibt

Abb. 6: Unrundheit u, gemessen als Stich an einer 50° Schablone und der sich daraus ergebende lokal erhöhte Radius R* im Bereich der Beulfigur; Verifizierung der Treffsicherheit der „Montelschablone“ über den gesamten Parameterbereich

  • Erfassung der möglichen „globalen“ Ovalität (elliptische Form statt Kreisform), wobei in der Regel Dmax/Dmin = 1,02 gefordert wird, sodass R* = 1,02 ∙ R gilt