Verstärkung von Schlauchlinern mit Hilfe aufgeklebter GfK-Platten

18.08.2006

Bei der Ausführung von Kanalsanierungsmaßnahmen zum Beispiel mit Hilfe des Schlauchverfahrens kommt es gelegentlich zu Unstimmigkeiten zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer hinsichtlich der Qualität des Endproduktes. Streitpunkte sind insbesondere die Unterschreitung der zugesicherten Materialkennwerte sowie der Linerwanddicke. Da es sich um vor Ort im bestehenden Kanal hergestellte Liner handelt, werden die wesentlichen Kennwerte E-Modul, Materialfestigkeit, Wanddicke und Dichtheit im Rahmen der Qualitätssicherung anhand von Baustellenproben überprüft. An Praxisbeispielen wird in diesem Beitrag aufgezeigt, wie mit Abweichungen zwischen Soll- und Istkennwerten umgegangen werden kann. Ferner wird dargestellt, wie gegebenenfalls eine Nachbesserung, die zu einem einwandfreien Endprodukt führt, erfolgen kann, aber auch Grenzen einer solchen Nachbesserung werden aufgezeigt.

Verstärkung eines Nadelfilz- Schlauchliners 600/1100 mit Hilfe aufgeklebter GfK-Platten
Im konkreten Fall erfolgte im Rahmen der Sanierungsplanung die statische Vordimensionierung eines Schlauchliners 600/1100 (überhöhtes Eiprofil) alternativ als Nadelfilzund GfK-Schlauchliner. Es wurden für die beiden Materialien typische Werkstoffkennwerte vorausgesetzt. Durch die vom planenden Ingenieurbüro definierten Anforderungen ergaben sich die erforderlichen Mindestwanddicken für die beiden Varianten, deren Einhaltung daraufhin im LV gefordert wurde.
Materialkennwerte von Nadelfilz-Schlauchlinern unterschiedlicher Hersteller weisen nur eine relativ geringe Schwankungsbreite auf. Im Gegensatz hierzu lassen sich Festigkeit und E-Modul von GfK-Linern über die Parameter Glasgehalt, Faserlänge und Faserorientierung wesentlich stärker beeinflussen. Sofern Produkte mit anderen Kennwerten angeboten werden, ist eine neue statische Berechnung unter Ansatz dieser Kennwerte vorzulegen. Ferner wird darauf hingewiesen, dass für viele Produkte mittlerweile eine DIBt-Zulassung vorliegt. In diesen Zulassungen werden neben den anzusetzenden Materialkennwerten auch die im Rahmen der statischen Berechnung einzuhaltenden Sicherheitsbeiwerte definiert. Abweichend von den Vorgaben der ATV M127 Teil 2 [1] schwanken sie gegenwärtig zwischen erf. γ = 2,0 und erf. γ = 3,0. Sofern Produkte mit einer erforderlichen Sicherheit > 2,0 angeboten werden ist auch hier eine gesonderte statische Berechnung vorzulegen.
Im vorliegenden Fall erfolgte der Einbau eines Nadelfilz-Schlauchliners durch die beauftragte Firma in zwei Abschnitten mit Längen von ca. 50 m und ca. 150 m. Während die den ersten Liner betreffende Qualitätssicherung ein einwandfreies Produkt bescheinigte, ergab sich für den zweiten Liner insbesondere eine deutliche Unterschreitung des geforderten E-Moduls. Materialfestigkeit, Kriechneigung und Wanddicke entsprachen den gestellten Anforderungen. Wegen der sehr geringen Kriechneigung, ein Abminderungsfaktor von 2,0 kann angesetzt werden, wurde eine statische Nachberechnung durchgeführt, die jedoch nicht den Nachweis einer ausreichenden Standsicherheit (vorh. γ ≈ 1,5 ≤ erf. γ = 2,0) erbringen konnte. Die betreffenden Materialproben waren in unmittelbarer Nähe von Start- und Endschacht entnommen worden. Durch materialtechnische Prüfungen an weiteren Proben, entnommen ca. 20 m von Start- und Endschacht entfernt sowie in der Mitte der Inversionsstrecke, konnte der Bereich, der die gestellten Anforderungen nicht erfüllte, auf den Anfangs- und Endbereich des Liners begrenzt werden.
Um die geforderte Tragfähigkeit zu erreichen wurde zunächst erwogen, in diesen Bereichen einen zweiten, in der Haltung endenden, Liner einzubauen. Dabei kann der bereits vorhandene Liner statisch berücksichtigt werden, sofern sichergestellt ist, dass sich zwischen den beiden Linern kein Wasserdruck aufbauen kann (Beulgefahr des inneren Liners). Im vorliegenden Fall ergab sich für diesen zweiten Liner eine erforderliche Wanddicke von ca. 12 mm.

Zwischen Bauherr, Planer, Baufirma und Fremdüberwacher wurde ferner die Möglichkeit einer Minderung wie auch einer Gewährleistungsverlängerung in Verbindung mit einer kontinuierlichen Überwachung der Linerdeformationen diskutiert. Eine Preisminderung ist im Zusammenhang mit nicht zufriedenstellend ausgeführten Kanalsanierungsmaßnahmen ein häufig eingeschlagener Lösungsweg. Einige Gesichtspunkte sollten jedoch auf Auftraggeberseite bedacht werden: Eine Minderung ist nur dann möglich, wenn aufgrund der zu geringen Standsicherheit keine Gefährdung für Menschen ausgeht. Dies ist, anders als zum Beispiel im Hochbau, bei den meisten Kanalsanierungen der Fall. Die Sanierung von Großprofilen ist hiervon jedoch ausgenommen, da sie zum einen begehbar sind, zum anderen durch einen Zusammenbruch erhebliche Setzungen im Bereich der Verkehrswege eintreten können.
Ferner ist eine Risikoabschätzung durchzuführen. Es muss hinterfragt werden, wie wahrscheinlich es ist, dass die vorab definierten Lasten innerhalb der angesetzten Lebensdauer auftreten oder sogar überschritten werden, und ob somit, bei einer zu geringen Standsicherheit, mit einem vorzeitigen Versagen des Liners zu rechnen ist. Eine Gewährleistungsverlängerung in Verbindung mit einer Dauerüberwachung ist ebenfalls ein gangbarer Weg. Auf der Grundlage von Messergebnissen kann vor Ablauf der Gewährleistungsfrist eine Aussage über die noch verbleibende Lebensdauer getroffen werden. Hier sollten sich Auftraggeber wie auch Auftragnehmer darüber im Klaren sein, dass eine derartige Überwachung einen erheblichen Aufwand darstellt. Ferner kann durchaus der Fall eintreten, dass die ausführende Firma innerhalb des verlängerten Gewährleistungszeitraumes Insolvenz anmeldet, und schließlich sollte auch das überwachende Ingenieurbüro über den gesamten Zeitraum die durchzuführenden Messungen betreuen und auswerten.

Im vorliegenden Fall erfolgte auf Anregung der Baufirma die Nachbesserung des Liners mit Hilfe von im Kämpferbereich aufgeklebten GfK-Platten [3]. Bild 1 zeigt den Bereich einer Probeentnahme im Zusammenhang mit einer ersten Probeverklebung, die zur Beurteilung der Eignung des Verfahrens dienen sollte.
An fünf Materialproben (Bild 2) wurden Drei- Punkt-Biegeversuche durchgeführt. In vier Fällen erfolgte ein Biegeversagen in Kleber und Nadelfilz, lediglich in einem Fall ein Schubversagen, das heißt ein Versagen der Klebeverbindung. Dieses Versagen war eindeutig auf eine Fehlstelle in der Verklebung zurückzuführen. Da es sich hier um einen Verbundquerschnitt, zusammengesetzt aus drei Materialien (Liner, Kleber, GfK-Platten) mit unterschiedlichen Materialkennwerten handelt, kann die Auswertung der Versuche nicht mit den Standardformeln (Gl. 1 und Gl. 2) der DIN EN ISO 178 [5] bzw. der DIN EN 13566-4 [4] erfolgen, denn in diesen Gleichungen wird von einem über die Probendicke konstanten E-Modul und somit von einer linearen Spannungsverteilung ausgegangen. Es handelt sich hier um ein überhöhtes Eiprofil. Die aus dem Kämpferbereich entnommenen Materialproben können als näherungsweise eben betrachtet werden. Für einen aus homogenem Material bestehenden Balken auf zwei Stützen, der in der Mitte durch eine Einzellast beansprucht wird (Drei- Punkt-Biegeversuch) ergäben sich die maximalen Randspannungen zu (siehe Gleichung 1).
Der E-Modul kann über die in Probenmitte gemessene Durchbiegung berechnet werden:(siehe Gleichung 2)
Bild 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Dehnungs- und Spannungsverteilung über die Probendicke für einen homogenen Querschnitt sowie den hier vorliegenden Verbundquerschnitt. Für homogenes Material ergäbe sich die in Bild 4a dargestellte lineare Dehnungsverteilung sowie die in Bild 4b dargestellte lineare Spannungsverteilung. Die Randspannung könnte mit Hilfe von Gleichung 1, der E-Modul mit Hilfe von Gleichung 2 ermittelt werden. Für die ermittelten Messwerte (F = 3000 N, b = 22 mm, s = 25 mm, l = 230 mm, f = 8,0 mm) ergäbe sich somit eine Bruchfestigkeit von σ = ±75,3 N/mm2 (s. Bild 4b) und ein E-Modul von E = 3318,3 N/mm2 . Abweichend hierzu haben bei dem tatsächlich vorliegenden Verbundquerschnitt die unterschiedlichen E-Module von Schlauchliner, Kleber und GfK-Platte einen erheblichen Einfluss auf den Spannungsverlauf über die Probenhöhe. Die statische Berechnung des Verbundquerschnittes ergab den in Bild 4c dargestellten Spannungsverlauf.

Der Unterschied in den beiden Spannungsverläufen der Bildern 4b und 4c zeigt, dass die oben aufgeführten Gleichungen 1 und 2, die auch in [4, 5] dokumentiert sind, nicht zur Auswertung eines Drei-Punkt-Biegeversuches an einer Verbundprobe geeignet sind. Im konkreten Fall ergab die statische Berechnung des Gesamtsystems, bestehend aus Liner und aufgeklebten GfK Platten, unter Berücksichtigung der Verbundwirkung sowie der unterschiedlichen Materialkennwerte von Liner, Kleber und GfK sowie ferner unter Voraussetzung einer einwandfrei ausgeführten Verklebung eine ausreichende Standsicherheit des Gesamtsystems. Während der folgenden Sanierung wurden im Rahmen der Bauüberwachung Materialproben entnommen (s. Bild 3), um die Ausführung der Verklebung zu überprüfen. Es ergaben sich keine Beanstandungen.
Sanierung der lokalen Fehlstelle eines Schlauchliners mit Hilfe aufgeklebter und verdübelter GfK-Platten
Ein vorhandener Kanal DN 1000 (Altrohrzustand II gem. ATV M127 Teil 2) wurde mit Hilfe eines Nadelfilz-Schlauchliners saniert. Nach Ausführung der Sanierung zeigte sich, dass der Liner in einem Teilbereich (Kämpferbereich) eine fehlerhafte Stelle mit einer Breite von ca. 10 cm und einer Länge von ca. 10 m aufwies, die offensichtlich nicht ausreichend mit Harz getränkt war. Die an Baustellenproben durchgeführten Materialuntersuchungen ergaben für den Bereich der Fehlstelle einen Kurzzeit-E-Modul von 1500 N/mm2 und eine Kurzzeitfestigkeit von 28,5 N/mm2. Wegen der erheblichen Unterschreitung der in Eignungsversuchen ermittelten Referenzwerte konnte somit der betreffende Bereich nicht als statisch tragend berücksichtigt werden.

Geplant war die Sanierung mit Hilfe von auf den Liner aufgeklebten und zusätzlich in der Altrohrwandung verdübelten GfK-Platten (Bild 5). Die statische Auslegung der Platten erfolgte analog zu der ursprünglichen Linerberechnung für die Einwirkung eines Grundwasserstandes von 1,5 m über Sohle. Dabei wurde die Verklebung auf der sicheren Seite liegend nicht berücksichtigt. In Kanallängsrichtung wurde ein Dübelabstand von 33 cm, in Umfangsrichtung ein Abstand von 15 cm angesetzt (s. Bild 5). Die GfK-Platten weisen gemäß Herstellerangaben eine Dicke von 5,0 mm, einen Langzeit-E-Modul von 4880 N/mm2 und eine Langzeit-Biegefestigkeit von 60 N/mm2 auf. Aus statischer Sicht ergeben sich drei wesentliche Fragestellungen: Welche Auswirkungen haben die lokalen Verankerungen auf die in Schlauchliner und GfK-Platte auftretenden Spannungen? Ist die Beulstabilität des Gesamtsystems gewährleistet? Welche Kräfte müssen von den Dübeln aufgenommen und in die Betonrohre abgetragen werden?
Die Berechnung der in Liner und GfK-Platte auftretenden Spannungen erfolgte mit Hilfe dreidimensionaler FE-Modelle. Der Liner wurde mit Hilfe von achtknotigen Volumenelementen diskretisiert, die starre Bettung im Altrohr durch die Anordnung von Druckfedern simuliert. Im Bereich der fehlerhaften Stelle wurde ein 10 cm breiter Spalt berücksichtigt. Die Verdübelung in der Altrohrwandung wurde durch die Anordnung entsprechender statischer Randbedingungen abgebildet.
Bild 6a zeigt die Verformungen des Liners unter Einwirkung der doppelten Gebrauchslast (überhöhte Darstellung). Es wird deutlich, dass sich der Liner was das Verformungsverhalten betrifft ähnlich wie ein unendlich langer Liner (keine Differenzverformungen in Rohrlängsrichtung) verhält. Die Spannungsspitzen in den Verankerungsbereichen (s. Bild 6b ) hingegen zeigen, dass im vorliegenden Fall eine räumliche Betrachtung zwingend erforderlich ist. Im Vergleich zu der hier ermittelten maximalen Druckspannung im Liner von σ D = 24,4 N/mm 2 ergab eine ebene Berechnung lediglich einen Wert von σ D = 5,2 N/mm 2 im Verankerungsbereich, also nur ca. 21 % der tatsächlich zu erwartenden Beanspruchung.
In den GfK-Platten ergab sich unter Einwirkung der doppelten Gebrauchslast gemäß Bild 6b eine maximale Druckspannung von σ D = 14,04 N/mm 2 (ebenfalls als lokale Spannungsspitze im Verankerungsbereich). Für beide Bauteile war somit die erforderliche Sicherheit gegen Spannungsversagen eingehalten. Da für den Liner eine geometrisch nichtlineare Berechnung mit iterativer Laststeigerung bis zur doppelten Gebrauchslast durchgeführt wurde und unter dieser doppelten Gebrauchslast weder ein Beulversagen noch eine Überschreitung der Materialfestigkeit eintrat, ist ebenfalls das Stabilitätskriterium eingehalten.
Die Dübel müssen in erster Linie die aus Liner und GfK-Platte resultierende Ringnormalkraft F n aufnehmen (s. Bild 5 und Gl. 3). Die Kräfte aus Liner und GfK-Platte sind nahezu gleich groß, so dass es theoretisch zu einer reinen Abscherbeanspruchung des Dübels in dieser Fuge kommt. Dübel und auch Altrohr sollten dennoch so ausgelegt sein, dass die Kraft F n , sofern sie nur einseitig wirkt, auch als Querkraft in das Altrohr abgeleitet werden kann.

Eine Zugkraft F Z ergibt sich im vorliegenden Fall nicht, da die Fehlstelle im Kämpferbereich liegt und hier infolge von Wasseraußendruck keine Ablösung des Liners vom Altrohr auftritt. Es wird jedoch empfohlen, zumindest die Wasserdruckbelastung, die zwischen den Verankerungen auf die GfK-Platte einwirkt, abzudecken (s. Gl. 4). Falls eine derartige Sanierung im Sohlbereich erfolgt ergeben sich andere Verhältnisse, da sich der Liner hier wegen des Auftriebs ablösen will (s. Bild 6a), und sich somit zwangsläufig Zugkräfte F Z in den Ankern ergeben.
Keine ausreichende Aushärtung eines Schlauchliners
Ein abschließendes Beispiel soll die Grenzen von Nachbesserungsmöglichkeiten aufzeigen. In eine Freispiegelleitung DN 300 wurde ein Nadelfilzschlauchliner eingebaut. Die an Baustellenproben durchgeführten Materialuntersuchungen ergaben, dass die gemessene Linerwanddicke sowie die gemessene Kurzzeitfestigkeit deutlich über den geforderten Kennwerten lagen. Der gemessene Kurzzeit- E-Modul hingegen lag nur bei 70 % des Sollkennwertes. Bei solchen Fällen besteht unter Umständen die Möglichkeit einer statischen Nachberechnung unter Ansatz der tatsächlich gemessenen Materialkennwerte sowie gegebenenfalls einer Nachbesserung (s. o.).
Im vorliegenden Fall hätte sich, einen Abminderungsfaktor von 2,0 (Sollkennwert) vorausgesetzt, noch eine ausreichende Standsicherheit ergeben. Der an der Baustellenprobe ermittelte Kurzzeit-E-Modul ließ jedoch auf eine unzureichende Aushärtung des Liners schließen. Zur Absicherung wurde daher zusätzlich ein 24-Stunden-Kriechversuch durchgeführt. Das zeitabhängige Verhalten der Materialprobe ist in Bild 7 im Vergleich zu einem, den Eignungsversuchen entsprechenden Verformungsverhalten, dargestellt.

Der hier durchgeführte Drei-Punkt-Biegeversuch kann auch für identisches Material Kriechkurven liefern, die von den Scheiteldruckversuchen der Eignungsprüfung abweichen. Der im vorliegenden Fall im Drei- Punkt-Biegeversuch ermittelte 24-Stunden- Kriechfaktor von 55,6 % liegt jedoch ganz erheblich über dem akzeptablen Bereich von ca. 10 bis 15 %. Der Liner ist nicht ausreichend ausgehärtet, der in der Eignungsprüfung ermittelte Abminderungsfaktor von 2,0 kann daher nicht für die statische Berechnung angesetzt werden. Es kann keine Resttragfähigkeit des Liners angesetzt werden. Somit schieden Nachbesserungsmöglichkeiten aus und es wurde der Einbau eines zweiten Liners, ausgelegt für die volle Wasserdruckbelastung (Altrohrzustand II) ausgeführt.
Zusammenfassung
Es wurden Möglichkeiten aufgezeigt wie sowohl von Seiten des Auftraggebers als auch des Auftragnehmers bei einer Unterschreitung statisch erforderlicher Linerkennwerte reagiert werden kann. Gerade bei begehbaren Profilen ist die Verstärkung des Liners durch die Anordnung zusätzlicher GfK-Platten als geeignetes Mittel zur Erzielung eines einwandfreien Endproduktes anzusehen. Dies betrifft insbesondere solche Fälle, bei denen die Mängel nur in Teilbereichen (sowohl in Längs- als auch gegebenenfalls in Umfangsrichtung) auftreten. Es wurde dargestellt, was bei der Verwendung derartiger Verbundsysteme (hier aufgeklebte GfK-Platten) wie auch bei der Abtragung lokaler Lasten (Verdübelung im Altkanal) aus statischer Sicht zu beachten ist.
Literatur
[1] ATV-Merkblatt M 127 Teil 2 „Statische Berechnung leitungen mit Lining- und Montageverfahren“ (2000-01)
[2] Doll, H.: Reaktionsmöglichkeiten des Auftraggebers bei Nichterfüllung der ausgeschriebenen Kennwerte. Nürnberger Kolloquien zur Kanalsanierung 2004
[3] Doll, H.: Gutachterliche Stellungnahme Nr. BGT 030183; Statische Berechnungen zur Sanierung eines Schlauchliners 600/1100 mit Hilfe aufgeklebter GfK-Platten

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