DS Beulen

„Beulen von stählernen Druckschachtpanzerungen unter Außendruck“ FFG-Projekt

Abwicklung in Kooperation mit Österreichs Energie

Projektpartner: Zusatzfinanzierung seitens der Industrie: Verbund Hydro Power AG, TIWAG – Tiroler Wasserkraft AG, Vorarlberger Illwerke AG, Andritz Hydro GmbH, Bilfinger VAM Anlagentechnik GmbH, ÖBB-Infrastruktur AG 

Bearbeitungszeitraum:

2016 - 2017

Tätigkeit:

• Projektleitung und Koordination
• Numerische FEM – Berechnungen
• Erarbeitung eines Bemessungsbehelfs zur Bemessung von Druckschachtpanzerungen unter Außendruck

Inhalt:

Bei Außendruckbelastung der leeren Rohrleitung führt die Umfangsdruckbelastung im Rohrmantel zur Beulgefährdung des meist dünnwandigen Rohres, sodass die Rohrtragfähigkeit hinsichtlich Außendruck p_a signifikant geringer ist als hinsichtlich Innendruck p_i. Bei vergleichsweise geringem Außendruck, der nur zu einem moderaten Anstieg der erforderlichen Rohrwanddicke t führt, wird weiterhin ein glattes unversteiftes Rohr ausgeführt. Der übliche Nachweis beinhaltet den Beulnachweis am ebenen Modell (2D-Modell), unter Berücksichtigung der Stützwirkung des Rohres durch das umgebende Gebirge bzw. den umgebenden Betonmantel. Meist wird die Theorie nach Amstutz angewendet (vgl. Bild 1). Bei höherem Außendruck, der eine unverhältnismäßig große Wanddickenerhöhung infolge des Außendrucks pa bewirken würde, wird ein ringversteiftes Rohr ausgeführt. Durch enge Ringabstände muss die Wanddicke aus der Innendruckbemessung dann mitunter gar nicht erhöht werden. Die praktische aktuelle Vorgehensweise zeigt ebenfalls Bild 1. Folgende offene Problemstellungen wurden in diesem Projekt näher untersucht:

• Auswirkungen realitätsnaher Rohrimperfektion
• Auswirkungen einer nachgiebigen Bettung des Rohres in radialer Richtung
• Auswirkungen der verschiedenen vorgeschlagenen Lösungen in der Ingenieurpraxis
  - Vergleich der Lösungen Amstutz, Montel, Jacobsen und Wieser
  - Treffsicherheit der analytischen Lösung nach Amstutz mit zutreffenderem FEM-Ansatz
• Analyse des realen Tragverhaltens von ringversteiften Rohren unter Außendruck an repräsentativen Anwendungsbeispielen

Ergebnis:

Für das glatte unversteifte Rohr konnte gezeigt werden, dass die Lösungen nach Amstutz, sowie Jacobsen zutreffend sind, da eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerischen FEM – Berechnungen erzielt wurde. Es konnte auch gezeigt werden, dass gewisse Imperfektionen durch die analytischen Lösungen abgedeckt sind, in dem ein erhöhter Ersatzradius R* für die Berechnung herangezogen wird. Für die ringversteiften Rohre wurden repräsentative Fälle aus Ausführungsbeispielen der beteiligten Projektpartner ausgewählt. Diese wurden mit Hilfe der analytischen Berechnung untersucht und anschließend erfolgte der Vergleich mit einer numerischen 3D FE-Berechnung. Dabei hat sich gezeigt, dass der kritische Beuldruck der analytischen Lösung im Vergleich zur numerischen Berechnung unsichere (zu hohe) Ergebnisse liefert. Aufgrund dessen wurde ein Neuvorschlag für die Ermittlung des kritischen Außendrucks von ringversteiften Rohren entwickelt.