1. Einführung

2. Vorwort zur 3. Auflage A 127

3. Das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 127

4. Vollwandige und profilierte Rohre

5. Die Aktualität des A 127

6. Fazit

Literatur
 

Autor: Dipl.-Ing. Frederik Müller
Co-Autor: Dipl.-Ing. Stephan Füllgrabe (Hawle Kunstoff & Service GmbH)
   

1. Einführung

Für die statische Berechnung erdverlegter Rohre gibt es auf internationaler Ebene verschiedene Regelwerke. Wichtig für die Rohrstatik sind die Veröffentlichungen von AWWA, SIA und DWA ([1] - früher ATV-DVWK). In diesem Beitrag wird die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Bemessung von Profilrohren anhand des Arbeitsblattes ATV-DVWK-A 127 (Deutschland) beschrieben, da dieses Regelwerk auch international große Anerkennung genießt.

2. Vorwort zur 3. Auflage A 127

„Aufgrund neuer Erkenntnisse in der Rohrstatik (Versuche, Vergleiche mit der Finite-Elemente-Methode, europäische Normung etc.) und aufgrund neuer Entwicklungen bei Rohrsystemen (z.B. Rohre mit profilierten Wänden) ergibt sich in verschiedenen Abschnitten des Arbeitsblattes Regelungsbedarf, der hier in einer dritten Auflage zusammengefasst ist.

Die rechnerische Grenze zwischen starrem und flexiblem Verhalten wird mit V_RB = 1 neu definiert.

Für Besonderheiten bei der Bemessung von Profilrohren wird ein neues Kapitel eingefügt; ein entsprechendes Merkblatt ATV-M 127 Teil 3 ist in Vorbereitung“. [2] p. 7. Deutsche Ausgabe übersetzt.

3. Das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 127

Die A 127 ist eine eigenständige Norm für erdverlegte Rohre, die neu in Graben oder Böschung verlegt werden. Das DWA-A 161 [3] regelt den grabenlosen Einbau (Vortrieb) und das DWA-A 143-2 die Sanierung.

Rohr-Boden-System

Bei der Neuverlegung von Rohren wird nur der radiale Querschnitt der Rohrwand berücksichtigt. Die Längsrichtung bleibt unberücksichtigt. Das Rohr trägt die Lasten immer zusammen mit dem umgebenden Erdreich. Ohne den Boden wäre das Rohr nicht nachweisbar, weshalb das Arbeitsblatt von einem „Rohr-Boden-System“ ausgeht. Es enthält auch Angaben zur Bemessung von perforierten Rohren für die Entwässerung und Profilrohren.

Systemsteifigkeit und Standorte für Nachweise

Das Konzept des A 127 erfordert verschiedene Nachweise, die an den drei markanten Punkten Scheitel, Federlinie und Boden geführt werden müssen. Die Nachweise sind abhängig von der Systemsteifigkeit V_RB des Rohr-Boden-Systems. VRB entscheidet, ob ein Rohr-Boden-System a) flexibel oder b) starr ist. Die Steifigkeit hängt von der Geometrie des Rohres, dem Material und den Bodenverhältnissen ab.

V_RB = 8 * S₀/S_Bh

Aus statischer Sicht muss jede der drei Positionen auf der Innen- und Außenseite berücksichtigt werden. Am Scheitelpunkt des Rohres treten z. B. unter Erd- und Verkehrslasten auf der Außenseite (oben) Druckspannungen und auf der Innenseite Zugspannungen auf. Es lässt sich nicht vorhersagen, welche Spannung zuerst überschritten wird; daher müssen beide Seiten überprüft werden.

Werkstoffe

Eine Verallgemeinerung bezüglich des Materials ist schwierig. Rohre aus Beton, Stahlbeton, Polymerbeton und Steinzeug verhalten sich im Allgemeinen „starr“. In diesem Fall ist eine Verformungs- und Stabilitätsprüfung nicht erforderlich. Rohre aus den meisten Kunststoffen, einschließlich GFK, sind in der Regel „flexibel“. Wenn Rohre aus Stahl oder Kunststoff sehr dickwandig sind, können sie sich durchaus starr verhalten.

Zeitabhängigkeit

Einige Materialien sind zeitabhängig. Dies wird in der Statik berücksichtigt, indem solche Rohre für zwei Zeitpunkte untersucht werden: a) kurzfristig, b) langfristig mit a) nach einer Minute und b) nach 50 Jahren. Alle Kunststoffrohre sind zeitabhängig, ebenso wie Polymerbeton und GFK, während z. B. Stahl oder Beton nicht zeitabhängig sind.

Bodengruppen

Was manchen Baugrundexperten regelmäßig überrascht, ist im Rohrleitungsbau gängige Praxis: Die A 127 kennt nur vier Bodengruppen G1...G4. Die Gruppe G1 steht für nichtbindige Böden, G4 für bindige Böden. G2 steht für wenig bindige Böden, G3 für bindige Mischböden und Schluff. Generell ist zu beachten: Je „kleiner“ die Bodengruppe, desto „besser“ der Boden - was sich z. B. im E-Modul nach Tabelle 1 der A 127 ausdrückt, siehe Abbildung 1. Darüber hinaus ist der Verdichtungsgrad D_Pr zu beachten: Je höher die „Proctordichte“, desto stabiler ist der Boden.

Bodenbereiche

Belastungen (Einflüsse)

In den Vorschriften wird zwischen kurzzeitigen und langfristigen Belastungen unterschieden. Kurzfristig sind in der Regel die Verkehrslasten und der kurzfristige Innendruck, sofern vorhanden. Alle anderen Lasten gelten als langfristig, d.h. Eigengewicht der Leitung, Erdlasten, Grundwasser, langfristiger Innendruck.

In der A 127 werden als Verkehrslasten folgende Werte angegeben: SLW (Lkw) 60, SLW (Lkw) 30, Lkw (CV) 12. Unter Bahngleisen ist das Lastmodell UIC 71 zu berücksichtigen. Die Verkehrslasten für Flugzeuge sind die sogenannten Bemessungsflugzeuge BFZ 90/180/350/550/750. Langfristig wird das SLW 60 aussterben und durch das Lastmodell 1, LM 1, ersetzt werden. Ein Vergleich von SLW 60 und LM 1 ist unter [5] zu finden. Ob das derzeit größte Passagierflugzeug, der Airbus A 380, einem BFZ 750 zugeordnet werden kann, ist unter [8] zu finden.

Grundwasser

Bei Vorhandensein von Grundwasser verdoppelt sich in der Regel die Zahl der erforderlichen Berechnungen. Einerseits wirkt sich Grundwasser günstig aus, weil es durch den Auftrieb die Erdlast über der Leitung reduziert, andererseits ist es ungünstig, weil es die Bettungseigenschaften des Bodens unter der Leitung verschlechtert. Darüber hinaus wird ein Sicherheitsnachweis gegen Aufschwimmen/Auftrieb empfohlen.

Nachweise

Für ein flexibles Rohr-Boden-System im Grundwasser ist die Anzahl der erforderlichen Berechnungen maximiert. Es sind jeweils Nachweise in Scheitel-, Federlinien- und Sohlniveau sowie jeweils innerhalb und außerhalb des Querschnitts erforderlich:

• Nachweis kurzfristig, ohne Grundwasser
• Nachweis kurzfristig, mit Grundwasser
• Nachweise langfristig, ohne Grundwasser
• Nachweis langfristig, mit Grundwasser

Daraus ergeben sich: 3x2x4=24 Berechnungen pro Rohr - und pro Nachweis. Eine manuelle Berechnung ist sehr umständlich und es wird empfohlen, ein leistungsfähiges Berechnungsprogramm zu verwenden [4].

Eine Spannungsanalyse ist immer für alle Rohre erforderlich. Unter Straßen-, Eisenbahn- und Luftverkehrslasten kann die sogenannte „Sicherheit gegen Versagen bei nicht überwiegend ständiger Belastung“ - vereinfacht: dynamischer Nachweis - gefordert werden.

Starre Rohrbodensysteme erfordern je nach Material weitere Betrachtungen, wie den Nachweis der Rissbreite und die Einhaltung der Expositionsklassen und Mindestbetondeckung bei Stahlbetonrohren.

Bei flexiblen Rohrbodensystemen müssen zusätzlich die Verformung und die Standsicherheit/Knickung (aus Erd- und Verkehrslasten sowie ggf. Wasserdruck) nachgewiesen werden.

Die Anzahl der erforderlichen Berechnungen muss mit der Anzahl der Nachweise multipliziert werden.

Dies wird durch den Koeffizienten k ausgedrückt. k ist abhängig von der Überdeckungshöhe, der Grabenbreite und dem Bodenreibungswinkel. Im ungünstigsten Fall ist k = 1, d. h. keine Silo-Theorie. Übersteigt die Grabenbreite b das Vierfache des Rohraußendurchmessers da, ist die Wirkung der (zu weit vom Rohr entfernten) Grabenwände abgeklungen. Das Rohr erhält also die volle Last, ähnlich wie bei b/d_a > 4 - das ist eine Aufschüttung.

Gründungswinkel

Im unteren Bereich des Rohres muss der Bauunternehmer für ein gleichmäßiges Planum aus geeignetem Material sorgen. Sehr grobkörniges Material wie Geröll als Bettungsschicht ist für jede Rohrleitung schädlich. Besser geeignet sind abgestufte Sande. Viele Rohrhersteller geben dazu in ihren Verlegeanleitungen Auskunft.

Der Bettungswinkel 2α bestimmt die Breite, über die die Wirkungen vom Rohr in den tragfähigen Untergrund abgeleitet werden. Bei gleicher Belastung wirkt sich ein größerer Winkel günstiger aus. Nach den Regeln kommen vier Bettungswinkel in Frage: 60°, 90°, 120°, 180°. Bei Kunststoffen sind 120° üblich. 180° können nur in Ausnahmefällen erreicht werden.

Bettungsreaktionsdruck

Flexible Rohrbodensysteme können kleinere Verformungen relativ gut aushalten. Die A 127 erlaubt 6 %, in Ausnahmefällen bis zu 9 %, unter den Gleisen der Deutschen Bahn jedoch nur 2 %. Unter vertikaler Belastung verformt sich das Rohr, d.h. es wird flacher und breiter und ovalisiert sich horizontal. Durch die horizontale Aufweitung drückt das Rohr seitlich gegen den Boden und verursacht den sogenannten Bettungsreaktionsdruck qh*. Er hängt maßgeblich von der Systemsteifigkeit V_RB und den Bodeneigenschaften ab. q_h* unterstützt das Rohr bei der Lastabtragung.

Einschalung

Grabenwände sind - auch aus Platzgründen im städtischen Bereich - oft nicht schräg, sondern senkrecht. Die wenigsten Böden bleiben standfest, so dass in der Regel eine Schalung vorgesehen wird. Die geeignete Art der Schalung hängt von den Bodenverhältnissen und einer eventuellen Wasserrückhaltung während der Bauphase ab. Je nach Schalungsart und Ziehzeitpunkt (vor/während/nach dem Verfüllen der Rohrzone und der Überschüttung) nennt die A 127 die Zustände A1...A4, die korrekterweise A0...A3 heißen müssten - wobei A0 am besten und A3 am schlechtesten ist.

Ein Spundwandverbau z.B., der nach der Verfüllung gezogen wird, lockert den Boden zwischen Verfüllung und gewachsenem Boden auf. Dies wirkt sich negativ auf die Lastabtragung aus und kann zu Setzungen führen.

Die Verfüllung und Verdichtung sollte sorgfältig und schichtweise erfolgen; idealerweise wird dieser Vorgang auf der Baustelle dokumentiert. Schlechte Verfüllung und/oder ungeeignetes Material sind oft die Ursache für spätere Schäden. Qualitätsüberwachung des Materials und vorausschauende Planung einschließlich statischer Berechnungen sind bei unsachgemäßer Ausführung unwirksam.

4. Vollwandige und profilierte Rohre

Kräfte und Spannungen

Bisher ging man stillschweigend davon aus, dass Vollwandrohre verwendet werden, bei denen die Wanddicke die entscheidende Größe ist. Bei Stahl-, Beton- und vielen Kunststoffrohren ist sie oft das einzige Kriterium, das in der Planungsphase verändert werden kann. Ihr Vorteil liegt in der einfachen Herstellung und der Standardisierung der Wandstärken. Ein Vollwandrohr kann als axial extrudiertes Rohr (z.B. Polyethylen: DIN 8074/75) oder als gewickeltes Rohr (z.B. Polyethylen: DIN 16961) hergestellt werden. Vollwandrohre haben eine glatte Innen- und Außenfläche.

Der Querschnitt muss Spannungen möglichst elegant aufnehmen. Im Bemessungsfall ist meist eine Kombination von Beanspruchungen entscheidend, nämlich: Normalspannungen überlagert mit Biegespannungen.

In Abbildung 3 verwenden wir: F_N = Normalkraft, s_Z = Spannung aufgrund der Normalkraft, M = Biegemoment, s_B = Spannung aufgrund der Biegung, s_res = resultierende Spannung

Normalspannungen wirken senkrecht auf die betrachtete Fläche. So erzeugt z.B. der reine Innendruck allein eine positive Normalspannung im gesamten Querschnitt, die Rohrwand steht vollständig unter Spannung. Zur Lastabtragung wird Material benötigt, dessen Lage nahezu unbedeutend ist. Ein Vollwandrohr ist für die Aufnahme von Normalspannungen gut geeignet.

In der Realität sind reine Normalkräfte selten anzutreffen: Erd- und Verkehrslasten erzeugen zusätzliche Biegemomente. Es kann davon ausgegangen werden, dass in einem erdverlegten Rohr immer Normal- und Biegespannungen vorhanden sind. Für die Verteilung der Biegemomente ist es sehr wichtig, wo sich das Material befindet.

Vollwandige Rohre

Will der Planer die Steifigkeit des gewünschten Rohres erhöhen - zum Beispiel, weil der Verformungsnachweis in der Software versagt - vergrößert er in der Regel die Wandstärke von Vollwandrohren. Der statische Zusammenhang wird durch das Trägheitsmoment I (Großbuchstabe „i“) bestimmt. Ein typischer rechteckiger Querschnitt für einen Holzbalken ist:

I = b * h²/12

Dabei ist b = Breite, h = Höhe des Querschnitts. I wird in mm4 gemessen.

Die Breite b = 1 wird für Vollwandrohre festgelegt. Die Höhe h entspricht der Wanddicke s, so dass eine vereinfachte Gleichung I = s³/12 gilt.

Dies zeigt, dass die Höhe bzw. Wanddicke des Profils einen entscheidenden Einfluss auf das Trägheitsmoment und damit die Steifigkeit des Rohres hat. Die Wanddicke s geht in der dritten Potenz ein. Zwei Beispiele:

s = 10 mm à I = 1.000 mm⁴

s = 25 mm à I = 15,625 mm⁴

Eine 2,5-fache Vergrößerung der Wanddicke erhöht hier I um den Faktor 15.

Profilierte Rohre

Profilrohre werden meist als gewellte Rohre oder spiralgewickelte Rohre hergestellt. Insbesondere die Spiralwicklung ermöglicht eine maßgeschneiderte Auslegung des Wandaufbaus für die geforderte Steifigkeit, die auftretende Druckbelastung und alle anderen inneren und äußeren Belastungen. Profilrohre sind auch national und international genormt (z.B. DIN 16961, ASTM F894, EN13476). Für das Strömungsverhalten ist bemerkenswert, dass spiralgewickelte Rohre einen festen Innendurchmesser aufweisen, auch wenn sich Steifigkeitsklassen oder Druckklassen ändern.

Von der Rechteckform abweichende Geometrien sind aus dem Stahlbau bekannt. Hier werden die Biegemomente von den Flanschen aufgenommen, die durch eine schubfeste Hohlkehle miteinander verbunden sind. Ein klarer Vorteil liegt in der Gewichts- und Materialeinsparung gegenüber einem gleichwertigen rechteckigen Querschnitt. Es ist jedoch zu beachten, dass das Profil selbst eine ausreichende Stabilität aufweisen muss, eine schlanke Hohlkehle muss versteift oder gegen Ausknicken nachgewiesen werden.

Der k_Q-Koeffizient

Der Koeffizient k_Q wird häufig abgefragt. Allgemein gilt: k_Q ≅ A/A_Q mit A = Gesamtfläche und A_Q = Querkraftfläche (~ Kehlfläche bei Profilrohren). k_Q wird zu 6/5 = 1,2 für rechteckige Profile oder Vollwandrohre. Er ist relativ unbedeutend. Gängige CAD-Programme sind in der Lage, diesen Faktor aus der Profilgeometrie zu ermitteln. Alternativ kann ein qualifiziertes Ingenieurbüro wie [10] k_Q genau bestimmen.

Dimensionierung von profilierten Rohren

Aus statischer Sicht werden Rohre ähnlich wie Vollwandrohre dimensioniert. Die Software führt in der Regel alle erforderlichen Nachweise automatisch durch, ggf. unter Berücksichtigung der „äquivalenten Wanddicke“.

5. Aktualität des A 127

Die ATV-DVWK-A 127 aus dem Jahr 2000 ist teilweise veraltet. So sind beispielsweise die darin genannten Materialien (PE80 statt PE100, Beton B25 statt Beton C25/30) oder das Belastungsmodell nicht mehr Stand der Technik und gelten als veraltet. Regelmäßig aktualisierte Software [4] hält den Stand der Technik zuverlässig aufrecht.

Eine Neuauflage des Regelwerks ist in Arbeit: Die DWA bereitet derzeit ein Merkblatt zu den Werkstoffeigenschaften A 127-10 sowie die 4. Auflage der A 127 vor, die künftig DWA-A 127-2 Vollwandrohre im Grabeneinbau heißen soll [6]. Zusätzlich plant die DWA das Arbeitsblatt DWA-A 127-3 Profilierte Kunststoffrohre im Grabeneinbau.

• Das künftige DWA-A 127-2 wird enthalten:
• Das semiprobabilistische Teilsicherheitskonzept ersetzt das globale Sicherheitskonzept. Bislang erforderlich: Sicherheit gegen Ausfall > 2. Zukünftig gefordert: Auslastung ≤ 1, sprich Auslastung < 100%. Dieses Konzept basiert auf der europäischen Normung (EuroCodes, EC)
• Straßenverkehrslast LM 1 anstelle von SLW/HGV 60
• Anpassungsfaktor α nach EuroCode 1-2 [7] Abschnitt 6.3.2 muss berücksichtigt werden
• Eisenbahnverkehrslast LM 71 statt UIC 71
  • mit 1x10⁸ statt 2x10⁶ Lastspielen
    (Stand: 2019-02-21; Experten in Deutschland diskutieren seit drei Jahren, ob die Zyklen von 1x10⁸ auf 5x10⁷ reduziert werden können, endgültige Entscheidung steht noch aus)
  • Zulässige Belastung am Beispiel von Stahl: Bei 1x10⁸ Lastwechseln dürfen nur 40,5% der Spannung von 2x10⁶ Zyklen verwendet werden. 140 N/mm² (bei 2x106) x 0,405 = 56,7 N/mm² (bei 1x10⁸). Quelle: [3], Tabelle 22
  • Überdeckungstiefen ab 1,10 m anstelle von 1,50 m hinterlegt
  • Schlagzahl max. 1,67 statt 1,40
• Zeitweise fließfähige, selbstverdichtende Verfüllbaustoffe (ZFSV) müssen enthalten sein
• Die Überdeckungs- und Einbettungsbedingungen A1...A4 und B1...B4 werden umbenannt in A0...A3 bzw. B0...B3

6. Fazit

Das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 127 ist ein in sich geschlossenes Regelwerk, das die Bemessung von kreisförmigen (und wandverstärkten) Rohren aus beliebigen (!) Materialien ermöglicht. Es verwendet Formeln, Tabellen und Diagramme. Im Vergleich zu M55, das nur Druckspannungen in einem Punkt behandelt, prüft A127 alle kritischen Abschnitte eines Rohrs (oben, Federlinie, unten). Aus der Sicht eines Bauingenieurs ist dies der präzisere Ansatz.

Bauingenieure und Berater auf der ganzen Welt verwenden und akzeptieren dieses Standardwerk der Rohrstatik. Es ist etabliert, geprüft und bewährt. Natürlich unterliegt es abschnittsweise einem Alterungsprozess, dennoch ist es als Gesamtkonzept gültig und anwendbar, bis die DWA die 4. Auflage im Weißdruck herausgibt.

Literaturverzeichnis

1. DWA: German Association for Water, Wastewater and Waste. https://en.dwa.de/en/
2. STANDARD ATV-DVWK-A 127E Static Calculation of Drains and Sewers, August 2000 (3rd edition). English edition withdrawn. German version + correction sheet 2008-04: ARBEITSBLATT ATV-DVWK-A 127 Statische Berechnung von Abwasserkanlen und -leitungen, 3. Auflage, Hennef, August 2000
3. DWA-A 161: Structural design of jacking pipes – Statische Berechnung von Vortriebsrohren 2014-03, correction sheet 2017-10
4. IngSoft EasyPipe Website: statik.ingsoft.de/en/products-and-services/software-ingsoft-easypipe.html
5. Soil pressures and load distribution under tandem vehicle LM 1 (published in German)
   PDF download via https://easypipe.ingsoft.com/en-en/about-us/publications/article/lm1
6. https://statik.ingsoft.de/en/newsroom/news/details/development-of-worksheet-dwa-a-127-1.html
7. DIN EN 1991-2 Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 2: Verkehrslasten auf Brücken; Deutsche Fassung EN 1991-2:2003 + AC:2010 (2010-12)
8. Dimensioning Aircrafts, Boeing 747, A340 and A380: Aircraft live loads in comparison (published in German)
   PDF download via https://easypipe.ingsoft.com/en-en/about-us/publications
9. me-lrt.de/img/me-01-11-resultierende-normalspannung.png
10. easypipe.ingsoft.com/en-en/structural-design