Thesen und Kurzfassung / Theses and Summary - Technische ...

Kurzfassungen und Thesen in deutscher und englischer Sprache
„Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren“
“Load-bearing behaviour and analysis of multilayer composite pipes“
« Comportement mécanique et calcul des tuyaux composites
multicouches »
Dissertation,
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Ulf Helbig,
geboren am 12. Dezember 1977 in Leipzig,
an der Fakultät Bauingenieurwesen
der Technischen Universität Dresden
zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs.
Gutachter:
Univ.-Prof. (em.) Dr.-Ing. habil. Hans-B. Horlacher
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Wolfgang Günthert
Rigorosum, Demonstration und Disputation:
05. Februar 2010

Kurzfassung
Kurzfassung
Eine völlig neuartige Rohrkonstruktion für den Siedlungs- und Industriewasserbau sowie die
Wasserversorgung wird durch die Kombination von einem innen liegenden, dünnwandigen
Kunststoffrohr (Medienrohr) mit einer zusätzlichen Ummantelung aus textilbewehrtem Beton
geschaffen. Der Einsatz textiler Bewehrungen mittels Gewirken aus alkaliresistenten
Multifilamentgarnen in Verbindung mit Kurzglasfasern stellt dabei ein Novum bei der Entwicklung
von Rohren aus Beton dar. Hinter der Entwicklung verbirgt sich das Ziel, die günstigen
hydraulischen Eigenschaften von Kunststoffrohren mit den deutlich höheren Festigkeits-
merkmalen von Beton zu kombinieren. Ein aus Kunststoff (z. B. PE) bestehendes, innen
liegendes, dünnwandiges Rohr dient dabei vorrangig als Medienrohr und zur Dichtheit. Interne
Belastungen (z. B. Innendruck) und externe Beanspruchungen (z. B. Erdlasten) werden durch
eine außen liegende Ummantelung (Trägerrohr) aus textilbewehrtem Feinbeton aufgenommen.
Mit diesem dünnwandigen Kunststoff-Textilbeton-Verbundsystem lassen sich leistungsfähige
Rohrsysteme bei gleichzeitig schlanker, gewichtssparender Bauweise erzielen.
Inhalt dieser Arbeit ist es, auf der Basis von experimentellen und rechnerischen Analysen einen
Beitrag zum Verständnis der Tragcharakteristik sowie zur rohrstatischen Berechnung des Rohr-
querschnitts dieser mehrschichtigen Verbundrohrkonstruktionen zu liefern. Dabei sind die
inneren Beanspruchungszustände des Rohrquerschnitts gegenüber rotationssymmetrischen und
nicht-rotationssymmetrischen Belastungen von Interesse. Diese ergeben sich einerseits als
primäre Anstrengungszustände, die mit äußeren angreifenden Kraftgrößen im Gleichgewicht
stehen und vor allem aus einem Betriebszustand (innerer/äußerer Überdruck, innerer Unterdruck,
Stabilität, Erdverlegung) resultieren und anderseits als sekundäre Anstrengungszustände, die
sich aus einem Produktionsprozess (Eigenspannungsproblematik) ergeben und somit vor einem
Betriebszustand auftreten. Im Ergebnis der Untersuchungen wird jeweils der innere
Beanspruchungszustand ausgewertet. Hierauf aufbauend werden semianalytische Algorithmen
und Lösungen zur rohrstatischen Berechnung abgeleitet, um eine problemlose Einbindung in
etablierte Berechnungsverfahren zu ermöglichen.
Nach einer kurzen Einführung in die Problematik erfolgt ein kompakter Überblick über den
aktuellen Stand der Rohrsysteme und die rohrstatischen Berechnungsverfahren sowie eine
Einschätzung der Übertrag- und Anwendbarkeit dieser Verfahren auf mehrschichtige
Verbundwandkonstruktionen. Im Anschluss wird eine Zusammenstellung der Grundlagen und
Voruntersuchungen hinsichtlich der physikalischen und mechanischen Eigenschaften der
eingesetzten Werkstoffe vorgenommen, woraus die Ableitung der mechanischen Kenngrößen
und Querschnittswerte der geschichteten Rohrwandung erfolgt.
Auf der Basis experimenteller und rechnerischer Untersuchungen werden die Tragcha-
rakteristiken für verschiedene elementare Beanspruchungen ermittelt und diskutiert sowie
Lösungsvorschläge zur Berechnung bereitgestellt, die durch exemplarische Auswertungen von
ausgewählten Rohrgeometrien (SDRV-Klasse, Nennweite) ergänzt sind. Der jeweils innere
Beanspruchungszustand wird rechnerisch bzw. numerisch hergeleitet sowie erörtert und, sofern
aufgrund der Komplexität nötig, in Form von Softwaremodulen umgesetzt. Aufgrund der kleinen
auftretenden Verformungen braucht nur die Theorie I. Ordnung berücksichtigt werden. Die
erzeugten, umfangreichen Tabellen und Diagramme sowie Teillösungen und Programmmodule
sind im Anhang zusammengestellt.
Ulf Helbig – Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren

Abstract
Abstract
An entirely original pipe construction for industrial hydraulic engineering and urban water supply
and sanitation has been developed by combining an internal thin-walled plastic pipe and an
additive high strength jacket pipe of textile-reinforced concrete. The use of textile reinforcements
consisting of alkali resistant multifilament yarns is a novel concept in the development of
concrete pipes. The key feature of this innovation is the combination of the plastic’s favourable
hydraulic properties and the significantly increased strength of the textile-reinforced fine grained
concrete layer. The inner thin-walled plastic pipe (e.g. PE) is primarily for fluid transportation.
Internal (e.g. internal pressure) and external loads (e.g. earth loads on buried pipes) are
predominantly carried by the external textile-reinforced concrete jacket pipe. Such textile-
reinforced concrete multilayer pipe systems have the advantage of a reduced dead weight whilst
maintaining the pipelines effectiveness.
This paper outlines the system’s characteristic load bearing behaviour and provides a structural
analysis of the multilayer pipe cross section based on experimental and theoretical results. It is of
particular interest to know the reaction of the pipe’s cross section to certain characteristic
rotation-symmetric and non-rotation-symmetric loads which result from the production process
(e.g. residual stresses) or operating conditions such as internal/external pressure, internal
vacuum, stability or earth loads. The typical internal stresses are then analysed. Using these
results, semi-analytical algorithms and solutions for the static analysis are given. This allows an
unproblematic integration into previously established methods of static analysis.
A brief overview of the current state of pipe systems and structural analysis methods is given
prior to the introduction, with particular focus on their applicability to non-homogenous multilayer
pipe constructions. A breakdown of the basic theoretical material that describes the
characteristic physical and mechanical properties of the relevant materials is then presented.
Based on this information, a derivation of the multi-layer wall’s mechanical parameters can be
specified.
The experimental and theoretical analyses of the service loading conditions are then interpreted
and discussed with the aid of appropriate tables and diagrams. Ideal computations of selected
pipe classes (SDRV-class, diameter) are performed where basic algorithmic software can be
written for more complex cases. The first order theory is only required. To improve the main
text’s clarity, data tables, diagrams, particular solutions and source codes are located in the
appendix.
Ulf Helbig – Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren

Thesen
Thesen
1. Zur Verbesserung der Tragfähigkeits- und Gebrauchswerteigenschaften von Rohren
sowie aus ökonomischen Gründen werden in der Bauindustrie zunehmend
Verbundwerkstoffe und Verbundbauteile eingesetzt. Als Verbundwerkstoff werden
Bauteile definiert, deren Einzelteile form- und auch weitestgehend kraftschlüssig gefügt
sind. Eine völlig neuartige im Wickelverfahren hergestellte Rohrkonstruktion für den
Siedlungs- und Industriewasserbau stellt die Verbindung eines dünnen inneren
Kunststoffrohres mit einer textilbewehrten Feinbetonumhüllung dar. Es lässt sich ein
leistungsfähiger Rohrquerschnitt bei gleichzeitig schlanker, gewichtssparender Geome-
trie erzeugen.
2. Es wird eine geschichtete Rohrwandung eines Rohrquerschnittes eines hinreichend
langen geraden Rohrabschnittes der Länge 1 aus i = η streng koaxial und schlupffrei
angeordneten Kreissegmenten betrachtet, bei der die innerste erste Schicht (i = 1) primär
als Medienrohr dient. Interne und externe Beanspruchungen, die einen mechanischen
Beanspruchungszustand in der Rohrwandung erzeugen, werden vorrangig durch die
außen liegenden Betonschichten (i = 2 … η) aufgenommen. Die Innen- und Außenkontur
des Rohrquerschnitts zeigt einen stetigen, kreisrunden Verlauf und ist rotations-
symmetrisch zur Querschnittslängsachse.
3. Das rohrstatische Verhalten hinsichtlich der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit
beruht primär auf elementaren Beanspruchungen, die den Rohrquerschnitt rotationssymmetrisch
bzw. nicht-rotationssymmetrisch belasten und in ihm einen mechanischen
triaxialen Beanspruchungszustand in Radial-, Tangential- und Axialrichtung erzeugen. Die
Belastungen resultieren aus betriebs- bzw. verlegebedingten Spannungszuständen
primärer Ordnung und betriebslastunabhängigen Eigenspannungszuständen sekundärer
Ordnung. Es wird ein ebener Verzerrungszustand unter Annahme axialkonstanter Lager-
und Lastbedingungen vorausgesetzt. Randeffekte bleiben unberücksichtigt. Das
Materialverhalten wird im Allgemeinen als nicht-linear angesehen und nach einem
„verschmierten Konzept“ betrachtet.
4. Zur Ermittlung und Beschreibung des inneren Beanspruchungszustandes werden
experimentelle Versuchsreihen und rechnerische Analysen für verschiedene
Beanspruchungsformen des Rohrquerschnitts vorgenommen. Im Vorfeld dazu werden
auf der Basis ausgewählter genormter Nennweiten Geometrien und Rohrklassen
definiert sowie unter Verwendung von in Voruntersuchungen ermittelten Material-
eigenschaften mechanische Kenngrößen und Querschnittswerte abgeleitet.
5. Der Rohrquerschnitt ist in Kreisringe entsprechend der Geometrie und der Werkstoffschichtung
unterteilt. Jedes i-te Segment eines j-ten Rohrwandknotens in einem
diskreten k-ten Belastungsschritt wird als quasi-homogene, mechanisch linearisierte
Schicht der Höhe si beschrieben, für die die Differentialgleichungen der Spannungen
bzw. Dehnungen unter Beachtung der Gleichgewichts- und Verträglichkeitsbedingungen
hinreichend genau erfüllt und als Gleichungssystem aufgestellt werden. Die Auflösung
geschieht mit Hilfe eigens entwickelter Berechnungsmodule. Für den Eigenspannungs-
zustand, den inneren Über- und Unterdruck und den äußeren Überdruck erfolgt dies nach
dem rotationssymmetrischen Ansatz, für die Biegebeanspruchung eines j-ten Rohrwand-
Ulf Helbig – Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren

Thesen
knotens nach dem nicht-rotationssymmetrischen Ansatz unter Nutzung eines
Bruchmodells für den Kreisquerschnitt sowie unter Verwendung des Traglastprinzips.
6. Die in den Ansatzfunktionen des inneren Spannungs- und Dehnungszustandes
enthaltenen Integrationskonstanten werden aus definierten Randspannungen am
Rohrinnen- und Rohraußenradius sowie durch Übergangsbedingungen als Spannungs-
und Verformungsbedingung der einzelnen Schichten und Elemente ermittelt. Die
Erdspannungsberechnung bei überschütteten Rohren erfolgt als gekoppeltes Boden-
Rohr-System mit Hilfe etablierter aber modifizierter Verfahren auf der Basis des
schubsteifen Erdbalkens nach LEONHARDT.
7. In der geschichteten Rohrwandung treten zeitabhängig Eigenspannungen als
Überlagerungszustand aus dem Extrusionsprozess des Kunststoffrohrs (P I) und der
schwind-/ schrumpfbedingten Volumendilatation (P II) des Betonmantels auf. Bedingt
durch die Prozessabfolge kommt es nur in der Innenauskleidung zu einer echten
Überlagerung (P I + P II) mit einer partiellen Reduzierung bzw. Verstärkung. Der
Betonmantel ist ausschließlich durch schwind-/schrumpfbedingte Effekte gekennzeich-
net.
8. Bei innerem Überdruck werden ausschließlich tangentiale Zug- und radiale
Druckspannungen (Pressspannungen) generiert. Das innerste Betonelement (i = 2) weist
von allen Betonschichten mechanisch bedingt die größten tangentialen
Beanspruchungen auf. Von diesem aus erfolgt im Grenzzustand der Tragfähigkeit das
reißverschlussartige Versagen der textilbewehrten Ummantelung. Mit Hilfe eines im
Dauerversuch abgeleiteten Zeitfunktionsansatzes ist eine Langzeitbetrachtung für
Druckrohre möglich.
9. Selbst bei einer Begrenzung auf linear-elastisches Verhalten des textilen Betonmantels
können äußere Überdrücke ertragen werden, die in der Regel weit oberhalb realer
Beanspruchungsdrücke liegen. Ein Versagen unter reinem äußeren rotations-
symmetrischen Überdruck pa ist nicht zu erwarten. Ein Stabilitätsverlust der
Gesamtwandung ist bezüglich eines kritischen äußeren Überdrucks bzw. eines inneren
Unterdrucks (Vakuum) nicht zu befürchten, jedoch ist aufgrund der fehlenden
Haftzugschlüssigkeit zwischen Betonmantel und Innenauskleidung eine gesonderte
Betrachtung des dünnen Kunststoffrohres notwendig.
10. Die Biegebeanspruchung des Rohrquerschnitts, wie sie beispielsweise bei erdverlegten
Rohren auftritt, führt zu einer ungleichmäßigen Belastung entlang des Rohrumfangs,
wobei die Scheitel-, Sohl- und Kämpferknoten die maßgeblichen Beanspruchungs-
bereiche aufgrund der höchsten Lastintension darstellen. Zur belastungstechnischen
Simulation sowie zur Bestimmung des Rohrsteifigkeitsverhaltens und des
Traglasteffektes sind Scheiteldruck-Versuche durchgeführt und ein nicht-lineares
erdstatisches Berechnungsverfahren entwickelt worden. Aufgrund der im Grenzzustand
der Tragfähigkeit verbleibenden Dichtheit sowie der relativ geringen Querschnitts-
verformungen können die Gebrauchswertseigenschaften bis zum Tragversagen als
gewährleistet angesehen werden, so dass eine weitergehende Berechnung auf dem
Prinzip des Traglastverfahrens gerechtfertigt ist und somit ein höherer Ausschöpfungs-
grad bezüglich der Querschnittstragfähigkeit erreicht werden kann.
Ulf Helbig – Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren

Theses
Theses
1. In order to optimise load capacity and usability whilst also considering economic factors,
composite materials and components are increasingly used in the construction industry.
A component is defined as a composite if its single components have been made
positively and/or non-positively as well. An entirely original pipe construction for industrial
hydraulic engineering and urban water supply and sanitation has been developed by
combining an internal thin-walled plastic pipe and an additive high-strength jacket pipe of
textile reinforced concrete by using the wrapping method. Such textile reinforced
concrete multilayer pipe systems provide effective pipeline systems with low dead
weights.
2. A multi-layer pipe’s wall of an adequate rectlineal pipe section (length = 1) consisting of
i = η strongly coaxial and non-slip orientated circular segments is regarded. The internal
first thin-walled layer (i = 1) primarily serves for fluid transportation. Internal and external
loads which generate mechanical stresses in the wall are predominantly carried by the
textile reinforced concrete layers (i = 2 … η). The in- and outside contour run constantly,
circularly and rotation-symmetrically to the pipe’s longitudinal axis.
3. The carrying behaviour of load capacity and usability is primarily based on elementary
loads which stress the pipe cross section rotation-symmetrically or non-rotation-
symmetrically. They generate a triaxial state of strain and stress in radial, tangential and
axial direction. The loads result from operating conditions and from installation stress
conditions of first type or rather from non-operation residual stress conditions of second
type. A plane strain in consideration of axial-constant load and installation conditions is
postulated. Boundary effects are not included. The material behaviour generally offers a
non-linear character in a “smearing conception“.
4. For determining and describing the wall’s internal state of strain and stress, a series of
experiments and computional analyses are carried out for different loading. Dimensions
and pipe classes have been defined based on selected, standardised diameters.
Mechanical characteristics and section coefficients can be specified using the material
parameters that are identified in preliminary tests.
5. The pipe section divides into circular segments depending on the geometry and material
layering. In any discrete k th load step any i th segment of a j th wall node is characterised as
a quasi-homogeneous, linear elastic element (element height si) whose differential
equations of strain and stress will be sufficiently assuaged and integrated in systems of
equations allowing for boundary and transition conditions. The solution occurs with
developed software modules, for residual stresses, internal/external pressure and
vacuum using the rotation-symmetrical approach, for bending a j th wall node applying the
non-rotation-symmetrical approach in combination of a pipe section’s breaking model and
the carrying load formation.
6. The constants of integration which are included in basis functions are the result of
defined boundary stresses on the pipe’s in- and outside radius or rather of transition
condition (stress, strain) between adjacent layers and elements. The computation of
earth loads on buried pipes occurs as a coupled soil-pipe-system introducing established
modified methods according to LEONHARDT’s shear-resistant beam.
Ulf Helbig – Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren

Theses
7. Time-dependent residual stresses appear in the multilayer wall as a result of the plastic
pipe’s extrusion process (P I) and the concrete jacket pipe’s contraction and shrinkage
process (P II). Due to the order of the different processes, a real superposition (P I + P II)
with partial reduction and/or enhancement only takes place in the inner thinwalled plastic
pipe. The textile reinforced concrete jacket exclusively offers contraction and shrinkage
effects.
8. Tangential tensions and radial compression strengths evolve from internal pressure.
Because the innermost concrete layer shows the highest tangential stress in the ultimate
limit of state the textile reinforced concrete jacket tangentially collapses sequentially from
the innermost concrete layer to the outside. A long-term prediction can be done for
pressure pipes using a transient function approach based on endurance-tests.
9. Confined to linear-elastic material behaviour, the concrete jacket pipe can easily handle
external pressures much higher than operating conditions. Neither a collapse, caused by
the rotation symmetric external pressure pa, or a buckling failure is likely. However,
because of the poor adhesive tensile strength between the plastic and the concrete
jacket pipe, a separate consideration of the thin-walled inner plastic pipe is necessary.
10. The bending stress (e.g. on buried pipes) generates an irregular stress along the pipe
circumference. The crown, invert and springline nodes give the locations of the highest
local stresses. Triaxial load tests were performed to determine the pipe stiffness and
deflection shapes under loading. A non-linear earth-load-analysis method has been
utilised to simulate and computationally model the buried pipes. As both impermeability
and small deflections are preserved throughout, the system can be used without concern
up to the limit state. A computation of the load carrying deflection is therefore justified
and a higher effectiveness of the pipe section’s load capacity can be achieved.
Ulf Helbig – Tragverhalten und Berechnung von mehrschichtigen Verbundrohren