620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In der Mathematik ist es im Allgemeinen üblich, alle Fragen ohne die Berücksichtigung der Einheiten der verwendeten Größen zu behandeln. Wendet man dann die Gesetze und Ergebnisse auf Probleme der Physik und der Ingenieurwissenschaften an, so ergeben sich hinsichtlich der Einheitenanalyse für den kritischen Betrachter formal einige unbefriedigende Darstellungen. Da für den Physiker und den Ingenieur die Einheitenanalyse zu den besonders aussagekräftigen Kontrollmöglichkeiten zählt, muss dieser Bereich widerspruchsfrei und klar aufgebaut werden. Im folgenden wird der Versuch unternommen, die formalen Widersprüche anhand einiger einfacher Beispiele anschaulich herauszustellen; anschließend wird ein Vorschlag für eine konsistente Einheitenanalyse gemacht.
Das Stabilitätsproblem eines radial elastisch gebetteten Kreisringes unter gleichmäßiger Temperaturerhöhung wird mit der klassischen Stabilitätstheorie einer geometrisch nichtlinearen Theorie und durch Versuche untersucht. Die Ergebnisse für die kritische Temperatur, das Verhalten im überkritischen Bereich und den Einfluss von Vorverformungen werden in Diagrammen in Abhängigkeit von den Steifigkeitsparametern angegeben. In Versuchen mit starr und elastisch gebetteten Hostaphan-Ringen werden die Vorverformungen systematisch variiert.
Im Rahmen eines USA-Praxissemesters der erstgenannten Autorin an der Tulane University in New Orleans wurden im Jahr 1995 in Zusammenarbeit mit Pipe Liners, Inc. Außendruckversuche an PE-HD-Linern durchgeführt. Bei diesen Versuchen sollte der maximale Beuldruck unter Variation von Randbedingungen des Liners im Altrohr (hier: Längsversatz und Ovalisierung) ermittelt werden. Außerdem war die Ermittlung des Zeitstandverhaltens der mit konstantem Außendruck beaufschlagten Versuchskörper ein wichtiges Versuchsziel. Die experimentellen Ergebnisse werden unter Verwendung der vom Zweitverfasser entwickelten nichtlinearen Theorie ausgewertet.
Eine besonders von Wassermangel betroffene Region ist das Bundesland Afar im Nordosten Äthiopiens. In diesem Gebiet befindet sich das Dorf Hidmo. Mittels Geldern aus der Entwicklungshilfe hat die äthiopische Regierung dort ein Schulgebäude errichten lassen, damit die Kinder aus der Umgebung der allgemeinen Schulpflicht nachkommen können. Es wurde aber vergessen, Geld für eine Wasser-und Sanitärversorgung einzuplanen, diese wäre notwendig, da die nächste Wasserstelle 500 m weit entfernt ist. Im Rahmen dieser Arbeit soll auf Vorplanungsniveau untersucht werden, inwiefern es möglich ist, Niederschlagswasser zu speichern, welches den Schülern als Wasserquelle dient und welche Sanitärsysteme dafür in Frage kommen. Zum einen sollen diese das Ausbreiten von Krankheiten verhindern und zum anderen die knappe Ressource Wasser schonen. Zusätzlich soll versucht werden, Bewässerungswasser bereit zu stellen, zur Bewässerung eines schuleigenen Nutzgartens, der dazu dienen soll, die Kinder in sparsamen Bewässerungsmethoden zu schulen. Der Wasserspeicher soll nur Brauchwasser zum Händewaschen und zu Bewässerungszwecken liefern. Trinkwasser soll mittels einer Rohrleitung aus der vorhandenen, 500m von der Schule entfernten, Wasserquelle bezogen werden. Zur Auswahl sollen nur angepasste Technologien kommen, vorwiegend einfach gehalten, dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft nahekommend.
Die Tigray and Afar Wasser Initiative (TAWI) ist ein Kooperationsprojekt der Mekelle Universität (Äthiopien), der Fachhochschule Münster und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Gegenstand der Initiative ist die Wasserversorgung im ländlichen Raum der besonders wasserarmen Regionalstaaten Tigray und Afar im semi-ariden Norden Äthiopiens. Im Untergrund ist häufig noch Wasser zu finden, das gelegentlich auch von Menschen zu landwirtschaftlichen Zwecken extensiv genutzt wird. Dichtwände im Untergrund können dazu dienen, diese Nutzung zu intensivieren und zusätzlich den Landschafts-Wasserhaushalt positiv zu beeinflussen. Die so aufgestauten unterirdischen Wasserspeicher sollen als kleine bzw. kleinste Anlagen dezentral die Versorgungslage kleiner, lokaler Bevölkerungsgruppen verbessern. Gleichzeitig vermeidet die unterirdische Speicherung die Gefahr einer Erhöhung der Inzidenzrate für beispielsweise Malaria, wie sie infolge von oberirdisch angelegten Ponds nachgewiesen worden ist.
Statische Berechnung von Abwasserkanälen und -leitungen nach ATV-DVWK-A 127, 3. Auflage 08.2000
(2001)
Mit der 3. Auflage des Arbeitsblattes ATV-DVWK-A 127 vom August 2000 werden die folgenden Ziele verfolgt: Für den Rohrleitungsbau wichtige Neuentwicklungen werden berücksichtigt, z. B. neue Werkstoffe, profilierte Rohre, Erweiterung auf Druckentwässerungen usw. Zwar ist damit auch der Umfang der Vorschrift angewachsen, die Änderungen bleiben jedoch auch bei Handrechnungen überschaubar und plausibel. Beispiele sind die Abminderungsfaktoren beim Beulnachweis oder die einfach zu ermittelnden Vergrößerungsfaktoren, wenn ein nichtlinearer Nachweis geführt werden muss. In der Praxis sind Berechnungen mit dem PC üblich - dort fällt der Mehraufwand nicht ins Gewicht. Neben den gewohnten Handrechenverfahren (also die Verwendung von Beiwerten und geschlossenen Formeln) werden durch eine Öffnungsklausel auch EDV-Verfahren unter der Bedingung zugelassen, dass die bodenmechanischen Grenzzustände beachtet werden. Als Berechnungsmodell kann der elastisch gebettete Kreisring oder ein Stabwerk im Kontinuum verwendet werden. Wie in der 2. Auflage werden einfache und nachvollziehbare Formeln angegeben, mit deren Hilfe z. B. Einzeleinflüsse auf die Nachweise leicht überprüft werden können (Beispiel: die Verringerung der Beullast aufgrund der Vorverformungen des Rohres). Durch Diagramme werden die Auswirkungen von Parametern transparent gemacht.
Schadhafte Abwasserkanäle und -leitungen können durch Einziehen eines flexiblen Liners oder durch Teilauskleidung mit Platten saniert werden. Der Ringraum zwischen Rohr und Liner wird häufig mit Dämmer verfüllt. Die Standsicherheit muss für die Lebensdauer des sanierten Bauwerks unter den während der Sanierungsarbeiten und beim Betrieb des Abwasserkanals herrschenden Bedingungen gewährleistet sein. Das bedeutet, dass konservative Annahmen bezüglich des System- und Belastungsverhaltens zu treffen sind. Für einige wichtige Lastfälle (hydrostatischer Druck mit Auftrieb, Eigenlasten, Temperaturänderungen usw.) werden Lösungsansätze diskutiert und Durchschlagbeiwerte alpha D angegeben. Von besonderer Bedeutung für die Sicherheitsnachweise ist der richtige Ansatz der Vorverformungen: Sie müssen sowohl die Verformungen des Kanals repräsentieren als auch stabilitätstheoretischen Erkenntnissen entsprechen.
Konstruktionen aus dem Werkstoff PE-HD haben sich in besonderer Weise für den Einbau in einer Deponie bewährt. Zur Berücksichtigung der Einflüsse während des Betriebs wie Wärmeentwicklung, Chemikalieneinwirkung und hohe Belastungen ist eine sichere Dimensionierung mit analytischen und numerischen Verfahren möglich (Merkblatt ATV-M 127-1 und Finite Element Methode). Im Anschlussbereich Schachtmantel/-boden und Speicherrohr/Kopfschacht sind analytische Modelle auf der Grundlage der Schalentheorie zur Beurteilung von Randbedingungen vorteilhaft. Ferner liefern sie bei Anwendung der FEM Informationen für die an solchen Stellen er-forderliche Elementverfeinerung. Mit analytischen Verfahren lassen sich die relevanten Ein-flüsse von Imperfektionen der Konstruktion und von Grenzzuständen im Boden auf das Trag-verhalten systematisch aufzeigen. Bei zutreffender Modellierung kann das Tragverhalten von Rohren und Schächten in Deponien mit der Finite Element Methode gut angenähert werden. So muss mit geeigneten Schalenelementen der Einfluss von Schubverformungen erfasst werden. Bei Mitnahme des Bodens im Modell müssen Zugspannungen ausgeschlossen und die Schubspannungen im Boden be-grenzt werden. Bei profilierten Querschnitten ist eine Untersuchung der in Rohr- und Schachtanschlüssen auftretenden Spannungen von besonderer Bedeutung - die Schnittgrößen müssen in den inneren Wandaufbau verfolgt werden. Messprogramme an ausgeführten Bauwerken sind erfor-derlich, um die verwendeten Rechenmodelle weiter abzusichern.
Es werden die Verzweigungslasten von Kreisringen, die auf der Außenseite elastisch gebettet sind, nach der klassischen Stabilitätstheorie ermittelt und das Verhalten im überkritischen Bereich untersucht. Im Hinblick auf praktische Anwendungen werden sowohl Kreisringe mit Momentengelenken bzw. Momentenfedergelenken als auch biegesteife Ringe betrachtet. Als Ergebnisse werden die kritischen Lasten mitgeteilt und Hinweise für ihre Anwendung bei der Berechnung von Tunnelauskleidungen und unterirdischen Behältern gegeben.
Statische Berechnungen von Linern zur Sanierung von Abwasserkanälen und -leitungen werden in Deutschland nach dem Merkblatt ATV-M 127-2 durchgeführt. Hierfür ist der Zustand der Altleitung durch die Altrohrzustände I, II und III zu beschreiben, die für die anzusetzenden Belastungen und Imperfektionen maßge-bend sind. Für den in der Praxis bedeutsamen Fall einer Störung der Kreisgeometrie (oder der Geometrie des Ei-querschnitts) durch eingebaute Telekommunikationskabel existiert noch keine gesonderte Berechnungsvor-schrift. Im folgenden werden hierfür auf der Grundlage der Vorgehensweise in ATV-M 127-2 und unter Be-rücksichtigung von Verfahrensprüfungen Nachweismöglichkeiten fortentwickelt und Vergleichsrechnungen dis-kutiert. Die Untersuchungen beschränken sich auf den Altrohrzustand I (keine Längsrisse), da dieser Fall für den Einbau von Kabeln eher geeignet ist