Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-Verlegung · Professor Dr.-Ing. Thomas Neidhart,...

Statusseminar EnEff:Wärme 2014

„Forschung für energieeffiziente

Wärme- und Kältenetze“Statusseminar am 7. Mai 2014 in Köln

Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur

KMR-VerlegungProfessor Dr.-Ing. Thomas Neidhart, Lehrgebiete Geotechnik + Bahnbau

Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Wirtschaftsing. (FH) Bernd Wagner


I. Was sind ZFSV?

II. Warum ZFSV im Fernwärmeleitungsbau?

III. Voruntersuchungen

IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche

V. Ausblick

VI. Zusammenfassung

Gliederung

Folie2


I. Was sind ZFSV?

Quelle: Wegner: DIN 4124 „Baugruben und Gräben –Böschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten“ BauPortal 2/2012

Folie3


I. Was sind ZFSV?

Folie4


I. Was sind ZFSV?

2-ter Arbeitsschritt

2-ter und 3-ter Arbeitsschritt

Teilverfüllung ohne Auftriebssicherung

Folie5


I. Was sind ZFSV?

Zeitweise fließfähige, selbstverdichtende Verfüllbaustoffe(H ZFSV, FGSV)

Gewinnungsbetriebe(TL Gestein StB)

Böden und Baustoffe zur Herstellung von zeitweise fließfähigen, selbstverdichten Verfüllbaustoffen

Böden von der Baustelle

(ZTV-E StB)

Aufbereitungsanlagen (TL BuB-E StB)

Mitarbeit des AGFW und der OTH.R an der Überarbeitung des Merkblatts

Folie 6



Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-VerlegungArbeitspaket: Bodenmechanik

Folie 7


II. Warum ZFSV im Fernwäremleitungsbau?

ZFSV bieten baubetriebliche Vorteile: Verwendung von Böden, die im konventionellen Infrastrukturbau wegen

mangelnder Wiederverwendungseignung normalerweise aussortiert werden - insbesondere bindige Böden.

Schonung natürlicher Ressourcen, da der zu deponierende Aushub minimiert und keine Ersatzstoffe zur Verfüllung verwendet werden müssen.

Reduzierung der Bauzeit durch schnelleres Verfüllen, geringe Personalkosten durch personalreduziertes Verfüllen

Verringerung von Emissionen durch minimierten Maschineneinsatz Keine Erschütterungsimmissionen, da der Verdichtungsvorgang entfällt Weniger Staub, etc.

Folie 8



ZFSV bieten auslegungstechnisches Potential: Gegenüber Sandbettung sind höhere axiale

Kontaktkräfte zu erwarten; dies auch bei zyklischer Belastung.Aber jeder ZFSV verhält sich anders, da die Herstellung nicht, wie z. B. Beton, genormt ist.Für die Einsatz in der Leitungszone von Fernwärmerohren sind spezielle ZFSV - Rezepturen erforderlich, die durch Eignungsuntersuchungen vorab ermittelt werden sollten.

Forschungsbedarf

Folie 9



Aktuelles FuE-Projekt zur Thematik Fernwärme:

Einsatz fließfähiger Verfüllstoffe zur Kunststoffmantelrohr-Verlegung in Gräben und Haubenkanälen Arbeitspaket: Bodenmechanik

gefördert durch das BMWi für 36 Monate über PT Jülich

Folie 10



11Folie 11




Beispiele für ZFSV-Produkte:

Weimarer Bodenmörtel Dämmer und Blitzdämmer

Füma und Füma-Boden Erdbeton

RSS-Flüssigboden Porenleichtbeton Füllmix

PARCOFLEX TerraFlow


Folie 12


Hersteller ProduktHeidelbergCement Baustoffe für Geotechnik, Ennigerloh

Fernwärme‐Dämmer®

Cemex Deutschland AG, Düsseldorf

füma® Boden

PROV ‐ Produktions‐ undVertriebsges., Eilenburg

RSS Flüssigboden®

WBM‐Flüssigboden, Unna

Weimarer Boden‐Mörtel®


Folie 13


ZSFV aus Gewinnungsbetrieben ZFSV aus Boden als

Ausgangsmaterial

Folie 14



Voruntersuchungen (z. T. bis 112 d nach Probenherstellung)• Fließfähigkeit• Wasserabsonderung• Volumenstabilität (Kurzzeit und Langzeit)• Festigkeit / Verfestigung (Einaxiale Druckfestigkeit)• Tragfähigkeit (CBR)• Dichte und Wassergehalt

Baugrundverhältnisse / LagerungsbedingungenUmgebender Baugrund• lässt keine Wasseraufnahme bzw. -abgabe zu geschlossenes System• ermöglicht kapillare Wasseraufnahme und –abgabe erdfeuchtes System• stellt Wasser im Überschuss zur Verfügung gesättigtes System

Folie 15




aus H ZFSV, FGSV

Diagramm aus H ZFSV, FGSV

Folie 16


Beispiele: Serien einaxiale Druckversuche: Links – ZFSV aus Gewinnungsbetrieben Rechts – ZFSV mit Boden als Ausgangsmaterial.


17Folie 17


Ergebnisse der Voruntersuchungen• Die 4 ZFSV haben die in den Voruntersuchungen gestellten

Anforderungen hinsichtlich Fließfähigkeit erfüllt. • Bei der Volumenstabilität und Wasserabsonderung traten bei einem

ZFSV Probleme auf. - • Alle 4 untersuchten ZFSV zeigen einen Verfestigungsverlauf, mit dem

sie als leicht wiederaushebbar einzustufen sind. Für die vertiefenden Laboruntersuchungen wurden auf Basis der

Ergebnisse der Voruntersuchungen 2 ZFSV ausgewählt:• 1 ZSFV aus Gewinnungsbetrieben und • 1 ZSFV mit Böden von der Baustelle als Ausgangsmaterial


Folie 18




Folie 19




Für Sande und Kies sind die Bodenparameter , gut bekannt und z. B. in der Tab. 1 des Teils 10 der FW 401 zusammengestellt.

Bei den ZFSV müssen die Bodenparameter ermittelt werden: Dichte [t/m³] bzw. Wichte = · 9,81 m/s² [kN/m³] Scherfestigkeitsparameter [°], c [kPa] Steifigkeit ES [MPa] (Verformungsmodul EV) Durchlässigkeitsbeiwert k [m/s] etc. u. U. auch Lösbarkeit von eingemischten Schadstoffen

Hinzu kommt, dass viele der Bodenparameter der ZFSV zeitabhängig sind.

Folie 20



Aufwand für jeden Versuchstyp: ZFSV aus Gewinnungsbetrieben Laboruntersuchungen nach 3, 7, 14, 28, 56, 112 d

ZFSV aus Boden als Ausgangsmaterial Laboruntersuchungen nach 3, 7, 14, 28, 56, 112 d 3 repräsentative Bodenarten

Schluffiger, toniger Kies gemischtkörnig, GU/GT nach DIN 18.196 Stark schluffiger, toniger Sand gemischtkörnig, SU*/ST* nach DIN

18.196 Lösslehm mit Feinkornanteil > 40% (feinkörnig), TL/TM nach DIN

18.196

Folie 21



F‘R = · (F‘N + F‘G) AGFW FW 401 Teil 10 Abs. 4.3

F‘R := Reibkraft pro Rohrmeter [kN/m] := Reibbeiwert/ -koeffizient [ - ]

Sand: = tan () = tan (2/3) Anfahren = 0,4 Abfahren = 0,2

F‘N := res. Erddruckkraft senkrecht zum Rohrmantel [kN/m]F‘N = · H · U · (1 + K0)/2mit K0 = 1 – sin

F‘G := Gewichtskraft des wassergefüllten KMR [kN/m]

Warum werden die Scherfestigkeitsparameter und c ermittelt?

Folie 22



Triaxialversuche zur Ermittlung der Scherfestigkeitsparameter , c

1,f = F1,f/A

2 = 3

Innere ScherfestigkeitBruch auf einer Scherfuge

Kontaktfläche Boden/Boden

23Folie 23


Z. B. Ergebnisse an Triaxialversuchen Typ D nach 30 d:Ausgangsboden GU/GT: = 41°, c = 6 kPaZFSV aus GU/GT: = 28°, c = 75 kPa

tan tan

c

c


Qualitative Aussagen zu ZFSV mit Boden als Ausgangsmaterial:

Deutliche Vergrößerung der Kohäsion c gegenüber Ausgangsboden

Auswirkung auf den Reibungswinkel Abnahme von

Mohr-CoulombscheBruchbedingungf = · tan + c

Folie 24


Tangentiale Scherversuche im Labor / Kontaktmechanik

Rahmenscherversuch mit HDPE-Platte (HDPE wie Außenrohr KMR)

Kreisringschergerät

Stabscherversuch(Rod-Shear-Tester)

N > 0

FN

FTGroßversuche an KMR im Versuchskasten M 1 :1


25Folie 25


Tangentiale Scherversuche im Labor:

• geringes Spannungsniveau bei kleiner Scherfläche

• vorgegebene Scherfläche (Scherspalteinstellung)

• Scherflächenverringerung während des Versuches.

• Kein Materialumsetzen in das Versuchsgerät möglich, d.h. große

Versuchsgeräteanzahl erforderlich.

Rahmenscherversuche mit ZFSV

Arbeitslinien ZFSV aus ST* – PEHD-Kontakt mit Auflastspannung

Vorversuche Rahmenschergerät unbefriedigend


Folie 26


Tangentiale Scherversuche im Labor:

Rahmenscherversuch

Kreisringschergerät

Stabscherversuch(Rod-Shear-Tester) N 0

FT

Prinzip Stabscherversuch

Großversuche an KMR im Versuchskasten M 1 :1


HDPE-Röhrchen(wie Außenrohr KMR)

27„Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze“ Statusseminar am 7 Mai 2014 in Köln

Folie 27



Stabscherversuche OTH mit ZFSV• Radialdruck als klar definierter Spannungszustand am Rohr

• Radialdruck gut kontrollierbar, auch bei geringem Spannungsniveau

• keine Scherflächenverringerung während des Versuches

• Scherfläche innerhalb gewisser Grenzen nicht vorgegeben

• größere Kontaktfläche ZFSV-PEHD Reduzierung von Streuungen

• Probebehälter = Versuchsgerät , der als eine Einheit in den Belastungsrahmen eingebaut wird Kein Umsetzen erforderlich

• große Anzahl von Proben leichter untersuchbar

• zeitabhängiges Kontaktverhalten leichter untersuchbar

• Zyklik leichter untersuchbar

• Versuche sind näher an Großversuchen im Versuchskasten. Ggf. Skalierbarkeit?

Folie 28


Ergebnisse Stabscherversuche mit ZSFV

ohne Seitendruck N = 0 mit Seitendruck N = 50 kPa

Arbeitslinie ST* und ZFSV aus ST* – PEHD-Kontakt Arbeitslinie ZFSV aus ST* – PEHD-Kontakt


Folie 29



Stabscherversuche - Erste qualitative Tendenzen

sWeg

FT Durchschiebekraft

Zeit

Jeweils 1-ter Durchschub Variation Refixierungszeitz. B. 7 d, 14 d und 28 d

Folie 30



Stabscherversuche - Erste qualitative Tendenzen

sWeg

FT Durchschiebekraft1-ter Durchschub Druck2-ter Durchschub Zug

…n-ter Durchschub ( /)

Folie 31



Mit Weiterverwendung des Winkels der inneren Reibung als Bezugsgröße:a := Adhäsion [kPa]

:= Normalspannung [kPa] auf die Kontaktscherfläche

x := Anpassungsfaktor Kontaktverhalten [ - ]; üblicherweise x < 1

:= Reibungswinkel der Materialpaarung mit = tan (‘ · x) [ - ]

:= An die Materialpaarung angepasster Reibbeiwert mit = tan [ - ]

f,B/M = a + · tan ( · x) oder f,B/M = a+ · tan

Grenzzustandsgleichung Kontaktfläche Boden/Material

verantwortlich für den Zusammenhalt der Materialpaarung ohne Auflast „Klebstreifeneffekt“

Folie 32


Sand ZFSVf,B/M = · tan (+ a)

Die Adhäsion a wird in der Geotechnik üblicherweise nicht angesetzt; a ist an Baumaschinen und im Tunnelbau sogar unerwünscht (Verklebungen)

f, Z/M = a + · tan

Die von uns untersuchten ZFSV haben Adhäsionen a von beachtlicher Größe: a wird wirksam vor bzw. parallel

mit Reibung Nach jetzigem Kenntnisstand

bei ersten Warmgehen dominant.

In der rohrstatischen Berechnung nicht vernachlässigbar.

z.B. DIN 1054 - Baugrund –Sicherheitsnachweise im Erd und Grundbau –Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1 [5]: Adhäsion darf nur in Ausnahmefällen angesetzt werden; die Ausnahme muss begründet werden.


Folie 33



Äußerer Verbund HDPE‐Mantel / Bettungsmaterial

Innerer Verbund PUR‐Schaum / Stahlrohr

34Folie 34


V. Ausblick


Folie 35


V. Ausblick

Fortführung der Laborversuche (u. a. Triaxial- und Stabscher-Versuche) mit unterschiedlichen Seitendrücken und Aushärtezeiten.

Großversuche im Maßstab M 1:1 (sog. Technikumsversuche). Auswertung von Messstrecken (Frankfurt, Ulm, Rosenheim) Entwicklung und Kalibrierung von Ansätzen zur Berücksichtigung ZFSV

in den gängigen Berechnungsprogrammen.

36


VI. Zusammenfassung


Folie 37


VI. Zusammenfassung

(1) Zeitweise fließfähige Verfüllbaustoffe (ZFSV) bieten grundsätzlich technologische und wirtschaftliche Vorteile sowie Potential hinsichtlich der Bemessung von Fernwärmeleitungen

(2) Die boden- und kontakt-mechanischen Eigenschaften der ZFSV sind sehr stark vom eingesetzten ZFSV-Typ, dessen Rezeptur und von der Aushärtezeit abhängig.

(3) Stabscherversuche haben sich als geeignet erwiesen, auch bei der großen Anzahl der erforderlichen Laboruntersuchungen, die kontaktmechanischen Parameter unter klar definierten Spannungszuständen zu ermitteln.

(4) Im Unterschied zu Sand weisen die untersuchten ZFSV eine ausgeprägte „Adhäsionspitze“ auf, die einen wesentlichen Einfluss auf das Verformungsverhalten der KMR hat.

(5) Beim Einsatz von ZFSV ist aufgrund von (4) dem „inneren Verbund“ zwischen PU-Schaum und Stahlrohr Beachtung zu schenken.

Folie 38


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Prof. Dr.-Ing. Thomas NeidhartEmail: [email protected]

Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-Verlegung · Professor Dr.-Ing. Thomas Neidhart,...

Documents

Transcript of Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-Verlegung · Professor Dr.-Ing. Thomas Neidhart,...