Statische Sanierung von Großprofilen bei Altrohrzustand III: Verfahren, Berechnung und Bemessung

Einleitung

Die Sanierung von großformatigen Abwassersammlern, die häufig vor über 100 Jahren unter öffentlichen Straßen verlegt wurden, stellt eine zentrale Herausforderung im modernen Ingenieurwesen dar. Diese Kanäle, oft aus Mauerwerk oder Stampfbeton, weisen häufig gravierende Schäden auf, die eine dauerhafte Standsicherheit infrage stellen. Besonders kritisch ist der Altrohrzustand III, bei dem das Altrohr seine Tragfähigkeit vollständig verloren hat und die Lasten nicht mehr allein abtragen kann.

Die vorliegenden Informationen basieren auf Fachliteratur und Regelwerken, insbesondere dem DWA-Arbeitsblatt A 143-2 und der ATV-M 127-2. Sie bieten einen detaillierten Überblick über die Zustandserfassung, die statischen Nachweise und die geeigneten Sanierungsverfahren für diese kritischen Fälle. Der Fokus liegt dabei auf technischen Verfahren wie dem TIP-Verfahren (Tight-In-Pipe) und der statischen Bemessung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM).

Zustandserfassung und Klassifizierung

Eine präzise Zustandserfassung ist die Grundlage jeder Sanierungsmaßnahme. Für Großprofile orientiert sich die Vorgehensweise eng am Arbeitsblatt DWA-A 143-2 (Juli 2015). Obwohl dieses Regelwerk primär für Rohre mit kleineren Kreis- und Eiquerschnitten konzipiert ist, werden die grundlegenden Prinzipien der statischen Berechnung und Bemessung auf Großprofile übertragen.

Zur Beurteilung der Standsicherheit des zu sanierenden Kanals (Altrohr) werden drei grundlegende Zustände unterschieden:

Altrohrzustand I: Das Altrohr ist allein tragfähig. Der Liner muss in diesem Fall lediglich die Dichtheit gewährleisten. Die Belastung des Liners beschränkt sich auf den Außendruck durch das Grundwasser, das durch die undichte Kanalwand sickert.
Altrohrzustand II: Das Altrohr ist nicht allein tragfähig. Es weist Längsrisse an vier Stellen im Umfang (Scheitel, Kämpfer, Sohle) auf. Die entstandenen Viertelschalen haben sich gegeneinander verdreht, was zu einer Ovalisierung des Querschnitts führt.
Altrohrzustand III: Das Altrohr ist nicht mehr standsicher. Dieser Zustand liegt vor, wenn das Tragwerk vollständig versagt hat und eine Sanierung erforderlich ist, um die statische Integrität wiederherzustellen.

Sanierungsverfahren für kritische Zustände

Für die Sanierung von Großprofilen im Altrohrzustand III kommen verschiedene Verfahren in Frage. Die Auswahl hängt von der geometrischen Form des Schadens, der Umgebung und den örtlichen Gegebenheiten ab.

Das TIP-Verfahren (Tight-In-Pipe)

Das TIP-Verfahren ist ein wesentlicher Bestandteil der modernen Kanalsanierung. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist der Einbau eines kleiner dimensionierten Neurohrstrangs, der eng am Altrohr anliegt. Es entsteht ein minimaler Ringspalt, der nicht verfüllt werden muss.

Anwendungsbereich: Das Verfahren ist ab einer Altrohrgröße von DN 150 möglich. Es wird sowohl bei leichten Schäden (Altrohrzustand I, II) als auch bei schwerwiegenden Schäden mit starken Deformationen und Versätzen (Altrohrzustand III/IIIa) eingesetzt.
Technische Besonderheiten: Mit Hilfe einer zusätzlich vorgeschalteten Kalibrierhülse kann das Altrohr zurückgeformt werden, sodass der kreisförmige Zustand wiederhergestellt wird. Der Einbau der Vortriebsrohre erfolgt je nach Randbedingungen im Einschub-Verfahren, im Einzug-Verfahren oder in einer Kombination beider Techniken.
Wirtschaftlichkeit: Bis zu drei Haltungen pro Tag (von Schacht zu Schacht) können saniert werden, was das TIP-Verfahren zu einem der wirtschaftlichsten Sanierungsverfahren zählt. Es kann zudem unabhängig vom geometrischen Zustand des Altrohres angewandt werden.
Normative Anforderungen: Das Verfahren erfüllt die Anforderungen der DIN EN ISO 11295, DIN 1852-1 und ist zertifiziert gemäß den relevanten Vorgaben.

Verfahren mit Rohrverlegung im Haltungsinneren

Ein weiteres Verfahren, das in der Fachliteratur beschrieben wird, beinhaltet die Verbindung einzelner Rohre direkt in der Haltung. Der entstehende Ringraum wird anschließend verfüllt.

Einsatzmöglichkeiten: Dieses Verfahren kann bei allen Altrohrzuständen und den meisten Querschnittsformen (einschließlich Maulprofil mit Sohlgerinne) eingesetzt werden.
Einschränkungen: Probleme können bei sehr weichen Böden in der Bettungszone oder bei sehr großen Sammlern auftreten, da die vorgefertigten Rohre transportiert werden müssen. Zudem muss die zu sanierende Haltung frei von Abflusshindernissen sein und für die Dauer der Arbeiten außer Betrieb gesetzt werden. Bei starker Grundwasserinfiltration ist eine Vorabdichtung erforderlich.
Materialien und Ausführung: Es sind keine speziellen Rohrwerkstoffe vorgeschrieben. Meist werden Rohre aus GFK (Glasfaser-verstärkter Kunststoff) verwendet, da sie sich an unterschiedliche Querschnittsformen anpassen lassen. Die Verbindungen erfolgen über Muffen, Überschiebkupplungen, Klebeverbindungen oder Überlaminatverbindungen. Die Rohre werden auf speziellen Trolleys in die Haltung eingefahren und mit Abstandshaltern fixiert, um sie während der Ringraumverfüllung gegen Auftrieb zu sichern.

Statische Berechnung und Bemessung

Die statische Berechnung für die Sanierung von Großprofilen folgt den Vorgaben des DWA-A 143-2. Dabei werden charakteristische Materialkennwerte (Ek) bei Gebrauchslasteinwirkung angesetzt. Das Teilsicherheitskonzept mit den zugehörigen Teilsicherheitsbeiwerten bildet die Grundlage der Bemessung.

Vergleich der Sicherheitsniveaus

Ein Vergleich der globalen Sicherheit, die als Produkt der Teilsicherheiten ϒF · ϒM angenähert wird, zeigt für Sanierungsverfahren im Bereich der Großprofilsanierung ein quasi identisches Sicherheitsniveau zwischen den Regelwerken DWA-A 143-2 und ATV-M 127-2 (ca. 2,0 bzw. 2,025). Diese Übereinstimmung ist von besonderer Bedeutung, da sie die Weitergültigkeit der Bemessungstabellen des DWA-M 144-3 trotz des Wechsels der Bemessungsgrundlage sicherstellt.

Imperfektionsansätze und lokale Vorverformungen

Für die statische Berechnung ist die Berücksichtigung von Imperfektionen entscheidend. Bei verdämmten Verfahren entfällt der Ansatz des Wasseraußendrucks (wGr,v). Die lokale Imperfektion ist am Ort des zu erwartenden Beulversagens anzusetzen.

Bestimmung des Beulbereichs: Hinweise auf den maßgebenden Beulbereich können bekannte Schadensbilder oder Versuchsergebnisse liefern. Bei Kreisprofilen ist dies oft der Sohlbereich, bei Eiprofilen der Kämpferbereich.
Besonderheiten bei Großprofilen: Tabelle 3 aus DWA-A 143-2 gibt spezifische Hinweise zur anzusetzenden lokalen Vorverformung bei besonderen Querschnittsformen, was insbesondere die Großprofilsanierung betrifft.

Sensitivität und FEM-Analyse

Die Standsicherheit von Linern in maulförmigen Altrohren ist hochsensitiv gegenüber Imperfektionen. Bild 1 zeigt exemplarisch einen ausschließlich unter Wasseraußendruck verformten Liner. Die flach gewölbte Sohle neigt zum Durchschlagen und erzeugt in den Ecken hohe Stützkräfte. Der Spalt zwischen Altrohr und Liner sowie eine ungünstige örtliche Vorverformung der Sohle haben einen entscheidenden Einfluss auf die Standsicherheit. Daher müssen die Ansätze in der Statik sorgfältig bestimmt und auf der sicheren Seite implementiert werden.

Bei Vorliegen des Altrohrzustands III erfolgt die statische Modellbildung unter Berücksichtigung von Liner, Altrohrquerschnitt und umgebendem Baugrund. Mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) können diese Komponenten mit ihrer tatsächlichen Geometrie (Rohrquerschnitte) bzw. Schichtung (Boden) modelliert werden. Die Diskretisierung erfolgt meist als ebene FE-Modellierung.

Verfahrenstechnische Parameter und Wirtschaftlichkeit

Neben der statischen Sicherheit sind wirtschaftliche Aspekte und verfahrenstechnische Parameter entscheidend für die Auswahl des Sanierungsverfahrens. Das Nassspritzverfahren ist ein Beispiel für einen wirtschaftlichen Ansatz.

Rückprallanteil: Der Rückprallanteil beim Nassspritzverfahren im Dünnstrom liegt bei ca. 12 bis 14 % und beim Nassspritzen im Dichtstrom bei ca. 6 bis 7 %. Unter rein verfahrenstechnischen Gesichtspunkten stellt das Nassspritzverfahren im Dichtstrom somit das wirtschaftlich günstigste Verfahren dar.

Fazit

Die Sanierung von Großprofilen im Altrohrzustand III erfordert eine fundierte statische Analyse und die Auswahl eines geeigneten Verfahrens. Die Grundlagen bildet das DWA-Arbeitsblatt A 143-2, das eine standardisierte Vorgehensweise für die Berechnung und Bemessung vorgibt. Das TIP-Verfahren hat sich als effiziente und wirtschaftliche Methode etabliert, die auch bei schweren Schäden und Deformationen anwendbar ist. Die Berücksichtigung von Imperfektionen und die Anwendung der Finite-Elemente-Methode sind für die Gewährleistung der dauerhaften Standsicherheit unerlässlich. Eine enge Anlehnung an die technischen Regelwerke und eine sorgfältige Planung sind die Voraussetzung für eine erfolgreiche und nachhaltige Sanierung.