Wechselwirkungsverhalten von thermisch beanspruchten Rohren und zeitweise fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen zeitweise fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen (kurz: ZFSV) und erdverlegten, thermisch beanspruchten Rohren und die Entwicklung eines Berechnungsansatzes, mit dem das Tragverhalten der Rohre genauer beschrieben werden kann. Zu den thermisch belasteten Rohren zählen Fernwärmeleitungen sowie Übertragungsleitungen für hohe Gleichspannungen. Zur Berechnung der Verschiebungs- und Normalkraftverläufe entlang der Rohre ist vor allem die Kenntnis über den Widerstand gegen temperaturbedingte axiale Rohrverschiebung maßgebend. Der Verschiebewiderstand wird mit speziell entwickelten, kleinmaßstäblichen Versuchen im Labor untersucht und in Abhängigkeit des Probenalters und der Normalspannung dargestellt. Da die Normalspannung Einfluss auf die Größe des Widerstands hat, wird ein Großversuch durchgeführt, mit dem aus der radialen Temperaturausdehnung des Rohres auf die Kontaktnormalspannungsänderung geschlossen werden kann. Es wird bei dem Großversuch sowie bei den kleinmaßstäblichen Laborversuchen ein quasi-kontinuierlich messendes faseroptisches Messsystem eingesetzt, mit dem die Dehnungen bzw. Stauchungen des Rohres und des ZFSV bestimmt werden können. Aus den Versuchen wird gefolgert, dass im Vergleich zu nichtbindigen Böden, zwischen dem Rohr und dem ZFSV Adhäsionskräfte auftreten, die zu deutlichen Verschiebewiderständen führen. Da es aktuell keine Regelwerke sowie wissenschaftliche Untersuchungen gibt, mit denen zuverlässig ein thermisch beanspruchtes Rohr bemessen werden kann, bei dem auch Adhäsionskräfte an der Kontaktfläche berücksichtigt werden, ist eine Bemessung von in ZFSV verlegten Rohren aktuell nicht möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Tragverhalten solcher Rohrleitungssysteme untersucht und die Grundlagen für die Bemessung erstellt. Aus den kleinmaßstäblichen Laborversuchen, dem Großversuch sowie mit numerischen Untersuchungen wird das Kontaktverhalten analysiert und eine Arbeitslinie entwickelt, die den Verschiebewiderstand in Abhängigkeit der axialen Rohrverschiebung wiedergibt. Mit dieser Kontaktwiderstandsarbeitslinie wird ein Stab-Feder-System und ein halbanalytischer Berechnungsansatz entwickelt, mit denen die Normalkräfte und Verschiebungen von erdverlegten, thermischen beanspruchten Rohren berechnet werden können.

The presented thesis is about the investigation of the interaction between Temporarily Flowable Backfill Materials (abbreviation: TFB) and buried, thermally stressed pipes and the developement of a calculation method the load-bearing behavior of the pipes can be described more precisely. Thermally stressed pipes include district heating pipelines and transmission lines for high DC voltages. Knowledge of the resistance to temperature-induced axial pipe displacement is essential in order to estimate the displacements, as well as the normal force distribution along the pipes. The resistance to displacement is investigated in the laboratory, using specially developed small-scale tests, and is presented depending on the specimen age and normal stress. Since the normal stress has an influence on the magnitude of the resistance, a large-scale test is carried out to conclude from the radial temperature expansion of the pipe to the contact normal stress change. A fiber-optic measuring system is used in the large-scale test as well as in the smallscale laboratory tests to determine the expansion or compression of the pipe and the TFB. It is concluded from the tests that, compared to non-cohesive soils, adhesive forces occur between the pipe and the TFB, which lead to significant resistance to displacement. Since there are currently no regulations or scientific studies to reliably dimension a thermally stressed pipe, which also take into account adhesive forces on the contact surface, it is not possible at the moment to dimension pipes buried in TFB. In this work the load-bearing behavor of such pipeline systems is examined and the basics for the design are created. From the small-scale laboratory tests, the large-scale test and numerical investigations, the contact behaviour is analysed and the interface-resistance-characteristics is developed that shows the resistance to displacement as a function of the axial pipe displacement. With this interface-resistance-characteristics, a rod-spring based system and a semi-analytical calculation method are developed to allow the calculation of the normal forces and displacements of buried, thermally stressed pipes.