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

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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 rotationssymmetrisch 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 rotationssymmetrischen 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
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Seite 7: Theses 7. Time-dependent residual s

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