CoJack-Variante für GFK-Vortriebsrohre

Das von der S & P Consult GmbH, Bochum entwickelte Berechnungsprogramm CoJack zur statischen Begleitung von Rohrvortrieben hat sich inzwischen bei zahlreichen Vortriebsmaßnahmen mit Stahlbetonrohren bewährt. Seit etwa einem halben Jahr steht erstmals auch eine Variante des Programms zur Verfügung, die speziell für Vortriebe mit GFK-Rohren entwickelt wurde und insbesondere die werkstoffspezifischen Eigenschaften von Kunststoffrohren berücksichtigt.

Der erste Praxiseinsatz erfolgt derzeit bei einer ehrgeizigen Vortriebsmaßnahme im Naturschutzgebiet Hexbachtal in Essen. Im Auftrage der Stadtwerke Essen GmbH presst die Fa. Wilhelm Epping GmbH, Bocholt drei Vortriebsstrecken mit einer Gesamtlänge von mehr als zwei Kilometer vor, wobei mehrere enge, z.T. gegenläufige Kurven mit Radien von ca. 600 Metern und Vortriebslängen von mehr als 800 m aufzufahren sind. Zum Einsatz kommen GFK-Rohre der Fa. Hobas Rohre GmbH, Neubrandenburg mit Längen von 3 m und 6 m, einem Innendurchmesser von 1885 mm und einer Wanddicke von 85 mm (s. Bild 1).

Statische Problemstellung

Die zentrale Problematik bei der Übertragung der Vortriebskräfte von Rohr zu Rohr besteht insbesondere bei biegesteifen Stahlbeton- und Steinzeugrohren darin, dass sich bei Kurvenfahrten und Steuerbewegungen der Rohrstrang nicht kontinuierlich krümmt, sondern das recht steife Rohr weitgehend gerade bleibt und in den Rohrverbindungen Abwinkelungen entstehen.

Dabei kann sich eine sogenannte klaffende Fuge ausbilden, wodurch sich die Druckübertragungsfläche verkleinert und die Kontakt- Druckspannungen zwangsläufig ansteigen. Dieser unerwünschte Effekt wird bei Stahlbeton- und Steinzeugrohren durch die Verwendung von Druckübertragungsringen (DÜR) aus Holz oder Holzprodukten gemildert, die sich unter Last infolge ihrer geringeren Steifigkeit verformen und beidseitig an die Rohrspiegel anlegen, den Kontaktbereich vergrößern und somit spannungsreduzierend wirken (s. Bild 2). Dabei wird infolge der großen Kräfte der Werkstoff Holz weit über seine Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht.

Es entstehen plastische Stauchungen, die nicht reversibel sind und somit auch nach einer Entlastung bestehen bleiben. Im Laufe einer Vortriebsmaßnahme wird jeder Druckübertragungsring vielfach beund entlastet, wobei sich zudem ständig die Abwinkelung ändert. Er verliert zunehmend seine lastverteilende Wirkung und „verhärtet“.

Vortriebsrohre aus GFK benötigen keinen Druckübertragungsring, da sie sich selbst infolge ihrer höheren Nachgiebigkeit mit zunehmender Vortriebskraft verformen und so den Kontaktbereich zum Nachbarrohr vergrößern. Dieses „intelligente“ Werkstoffverhalten ermöglicht die Kraftübertragung unmittelbar von Rohrspiegel zu Rohrspiegel. Im unbelasteten Zustand berühren sich die Rohre in nur einem Punkt. Mit zunehmender Vortriebskraft vergrößert sich der Kontaktbereich, während sich die klaffende Fuge verkleinert (s. Bild 3) . Dieser Effekt kann sich sogar bis zu einer vollständigen Schließung der Fuge auch bei Kurvenfahrten fortsetzen.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der Fugenausbildung mit einem Druckübertragungsring aus Holz besteht darin, dass sich die Rohrverbindung bei einer Entlastung wieder vollständig in den Ausgangszustand zurückverformt und keine plastischen Verformungen bestehen bleiben. Der Rohrwerkstoff GFK bleibt während des gesamten Vortriebes im linear-elastischen Bereich, so dass das Verformungsverhalten der Fuge unter Einbeziehung der Rohrgeometrie als nichtlinear-elastisch berechnet werden kann. Eine Verminderung der gewünschten Nachgiebigkeit des Rohres (Verhärtung) tritt hier nicht auf. Dieses spezielle Werkstoffverhalten wurde nun in einer Variante des statischen Simulationsprogrammes CoJack implementiert und bei der Vortriebsmaßnahme im Hexbachtal erstmals eingesetzt. CoJack war bei dieser Baumaßnahme bereits vor Vortriebsbeginn im Rahmen der Tragwerksplanung ein wichtiges Instrument für die statischen Nachweise. Derzeit dient CoJack der Überwachung der Bauausführung und nach Abschluss der Arbeiten als statische Bewertungsgrundlage bei der Bauabnahme.

Im Rahmen der Planung wurde CoJack zur Überprüfung der obligatorischen statischen Berechnung der Vortriebsrohre mit den zur Verfügung stehenden Plandaten eingesetzt. Bei der Vorberechnung der Rohrbeanspruchungen wurden dabei nicht nur die planmäßigen Kurven berücksichtigt, sondern es wurden auch die zulässigen Herstellungstoleranzen für die Rohre beachtet und Ansätze für Steuerbewegungen gemacht. Darüber hinaus ging CoJack nicht von einer während des gesamten Vortriebes konstanten Vortriebskraft aus, sondern bezog realitätsnah die sukzessiv steigenden Pressenkräfte mit ein.

Das Ergebnis sind Vorgaben für die Bauausführung in Form von (vorläufigen) Grenzwerten für die Vortriebskraftentwicklung und für die Steuerbewegungen. Die dabei angegebenen Maximalwerte für die Pressenkräfte und für die maximalen Abwinkelungen in den Fugen (messbar als Fugenspaltdifferenzen) sind als Richtwerte aufzufassen, deren (moderate) Überschreitung im Einzelfall nicht zu einem Vortriebsstillstand führt, sondern mit CoJack im statischen Gesamtzusammenhang bewertet meist lediglich zu einer Verschiebung der Grenzwerte für den weiteren Vortrieb führt. Beginnend mit dem Einbau der ersten Rohre werden nun im Rahmen der Bauausführung die bei der Planung angesetzten Vortriebsdaten nach und nach durch auf der Baustelle gemessene Werte (Vortriebskräfte, geometrische Vermessung) ersetzt (Bild 4). Dadurch lassen sich einerseits für die bereits zurückgelegte Vortriebsstrecke das erreichte Sicherheitsniveau bestimmen und andererseits die Prognose für die noch aufzufahrende Reststrecke verbessern. Somit wird die statische Planung in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Informationsstand ständig aktualisiert.

Diese ständig erneuerte statische Vorausschau auf den weiteren Vortrieb, die einen deutlichen Zuwachs an Sicherheit bedeutet und eine verlässliche Grundlage für ausführungstechnische Entscheidungen liefert, basiert auf einem speziell für CoJack entwickelten Algorithmus. Insbesondere bei unerwarteten Vortriebssituationen (z.B. Hindernissen, Fehlsteuerung) können Varianten für die weitere Vorgehensweise durchgespielt werden und folgenschwere Entscheidungen kurzfristig auf einer verlässlichen statischen Grundlage getroffen werden. Die günstigste Variante wird in Abstimmung mit dem Auftraggeber programmintern fixiert und bei der weiteren Bauausführung berücksichtigt. Unter Aufsicht von CoJack kann vielfach selbst nach einer starken Steuerbewegung (Knick im Rohrstrang) oder einer kurzzeitig erforderlichen Überschreitung der zulässigen Vortriebskraft der Vortrieb ohne Verzögerung u.U. mit zusätzlichen Auflagen oder Einschränkungen fortgesetzt werden, ohne die Rohre zu überlasten.

Im Bedarfsfall können sogar „unter Aufsicht“ von CoJack gezielt erhöhte Vortriebskräfte aufgebracht werden, um z.B. einen festsitzenden Vortrieb frei zu bekommen. Dabei ist stets die Sicherheit gewährleistet, das die Rohre keinen Schaden nehmen. Im Rahmen der Abnahme des Bauwerks kann der gesamte Vortrieb später anhand der während des Vortriebes gesammelten Messdaten und ggfls. zusätzlich unter dem Abgleich mit einer Endvermessung des Rohrstranges rechnerisch nachgefahren werden und zu jedem Zeitpunkt des zurückgelegten Vortriebes und für jedes Rohr das zutreffende Sicherheitsniveau bestimmt werden. Gegebenenfalls können einzelne überbeanspruchte Rohre benannt werden, um dort weitergehende Untersuchungen auf mögliche Schäden einzuleiten.

Fugenmesssystem GMS

Bei der Begleitung des laufenden Vortriebes ist CoJack auf präzise und aktuelle Messwerte von der Baustelle angewiesen. Dazu hat die Partnerfirma VMT GmbH, Bruchsal das speziell auf die Anforderungen von CoJack ausgerichtete Messystem GMS (Gap Measurement System) entwickelt, dessen Sensorik kontinuierlich und automatisch die Vortriebsparameter aufnimmt, archiviert, visualisiert und für den Online-Abruf durch CoJack bereit hält (s. Bild 5). Dabei ist es sogar möglich, den Vortrieb online in Echtzeit zu verfolgen und auf Veränderungen frühzeitig zu reagieren. Das Messsystem arbeitet vollkommen autark, unabhängig vom installierten Steuerleitsystem und kann somit auf jeder Vortriebsbaustelle unmittelbar nach Vortriebsbeginn installiert werden.

Für Vortriebe mit GFK-Rohren wurden spezielle Sensoren entwickelt, die die Verkrümmung der Rohre während des Vortriebes messen und bei dem Vortrieb im Hexbachtal eingesetzt wurden. Die Sensorik zur Krümmungsmessung erstreckt sich bei den Vortrieben in Essen über zwei drei Meter lange Rohre (Rohr 2 und Rohr 3) und den drei angrenzenden Fugen. Um die räumliche Abwinkelung in den Fugen und die räumliche Verkrümmung der Rohre zu erfassen, werden in jeder Messebene drei Sensoren über den Umfang verteilt angeordnet. Somit sind hier insgesamt 15 Wegsensoren eingesetzt, die rechnerisch zu zwei Messquerschnitten zusammengefasst werden, die ein redundantes und recht genaues Bild über die Krümmung der aufgefahrenen Trasse liefern (Bilder 6 und 7).

An die Hydraulikleitungen an der Hauptpressstation und den Dehnerstationen werden Drucksensoren eingebunden. Diese erfassen die tatsächlich aufgebrachten Drücke, woraus das Fugenmesssystem die daraus resultierenden Kräfte der jeweiligen Pressen berechnet. Wegsensoren am Startschacht und in den Zwischenpressstationen liefern die erforderlichen Angaben über die Dehneraktivitäten und den Vortriebsfortschritt (Bilder 8 und 9).

Über Angaben im Systemeditor des Baustellenrechners wird jedem Sensor eine individuelle CanBus Adresse zugewiesen, über die er identifiziert und ausgelesen wird. Alle Messdaten werden über Datenkabel und Controller Unit an den Systemrechner übertragen und dort angezeigt. Das System erzeugt eine Datenbank, in der die einzelnen Sensorwerte bzw. die Öffnungen der erfassten Fugen und die aktuellen Vortriebskräfte aus Haupt- und Zwischenpressen mit zugehörigen Ausfahrungen lückenlos dokumentiert werden. Die Abspeicherung erfolgt individuell wählbar zeit- und/oder stationsabhängig bzw. in Abhängigkeit der Dehner- oder Hauptpressenbewegungen.

Visualisierung

Auf dem Monitor des GMS-Systemrechners auf der Baustelle wird ständig der Status der installierten Sensoren angezeigt (s. Bild 10).

Ebenso werden die Fugenspaltmaße der einzelnen Querschnitte an Kämpfer, First und Sohle dargestellt.
Die aufgezeichneten Daten könnten in grafischer und tabellarischer Form ausgedruckt und angezeigt werden.
Wichtige Informationen, wie z.B. das Verhalten der Messquerschnitte oder der zeitliche Verlauf der aufgebrachten Kräfte auf Haupt- und Zwischenpressen werden in Diagrammen dargestellt, die permanent und in Echtzeit aktualisiert werden. 

Nicht nur auf dem Baustellenrechner sondern auch ortsunabhängig auf jedem beliebigen Computer mit Internetzugang können mit der entsprechenden Zugangsberechtigung die gerade aktuellen Daten abgerufen und visualisiert werden, so dass neben dem Baustellenpersonal z.B. auch der Bauleiter und der Auftraggeber im Büro jeder Zeit über den aktuellen Stand des Vortriebes inkl. der wichtigsten Vortriebsparameter informiert ist.

Dazu muss sich der berechtigte Nutzer lediglich auf der Internet-Seite „cojack.eu“ mit seinem Benutzernamen und seinem Password anmelden. Danach hat er problemlos die Möglichkeit, die wichtigsten aktuellen Daten des Vortriebes grafisch aufbereitet abzurufen. Die ständig aktualisierten Diagramme zeigen insbesondere die Krümmung des Rohrstranges infolge Kurvenfahrt und Steuerbewegungen sowie die an den Haupt- und Zwischenpressen aufgebrachten Kräfte bis zum aktuellen Zeitpunkt. Über diese Online-Verbindung wird auch CoJack mit den aktuellen Messdaten versorgt, um die vortriebssynchronen Simulationen durchzuführen. Diese Verbindung ist sogar bidirektional eingerichtet, so dass bei Bedarf die Einstellungen auf dem Baustellenrechner verändert und den aktuellen Berechnungsergebnissen angepasst werden können. Auf diese Weise werden erforderliche Verschärfungen der Grenzwerte oder auch mögliche Lockerungen sofort auf dem Baustellenrechner implementiert und für alle Beteiligten sichtbar.

Die erste Vortriebsstrecke im Essener Hexbachtal

Die erste Vortriebsstrecke ist inzwischen im Hexbachtal erfolgreich mit GfK-Rohren aufgefahren worden. Das Bild 11 zeigt den gemessenen Verlauf der Vortriebskraft über die gesamte Vortriebslänge von 450 m. Bei einem Vortriebsstand von 350 m erlitt der bis dahin eingesetzte Kraftsensor einen Schaden, so dass ab dieser Position auf einen Drucksensor zurückgegriffen werden musste, der allerdings nicht unterscheiden konnte, welche der drei Stufen der Teleskoppresse gerade aktiv war. Deshalb sind dort die aus den gemessenen Drücken berechneten Kräfte aller drei Stufen dargestellt. In jedem Falle musste die zulässige Vortriebskraft von 5800 kN nicht ausgenutzt werden. 

Die Bilder 12 und 13 zeigen den Verlauf der horizontalen und vertikalen Krümmung des Rohrstranges. Die blauen Grenzlinien kennzeichnen dabei den empfohlenen Bereich der Steuerbewegungen für den die korrespondierende Vortriebskraft von 5800 kN (s. Bild 11) gehört. Die rote Grenzlinie zeigt die zulässige Abwinkelung (0,5°) infolge der Geometrie der Fugenkonstruktion, die strikt einzuhalten war und auch eingehalten worden ist. Der Sprung in der roten Grenzlinie resultiert aus dem abschnittsweisen Einsatz von 6 m langen Rohren anstelle der 3 m langen Standardrohre.
Der zweite Vortriebsabschnitt im Hexbachtal befindet sich derzeit in der Ausführung.

Im Rahmen der Planung dient CoJack der Überprüfung der obligatorischen statischen Berechnung der Vortriebsrohre mit den zur Verfügung stehenden Plandaten und definiert Grenzwerte für die Ausführung.
werden im Rahmen der Bauausführung die bei der Planung angesetzten Vortriebsdaten nach und nach durch auf der Baustelle gemessene Werte (Vortriebskräfte, geometrische Vermessung) ersetzt. Dadurch lassen sich einerseits für die bereits zurückgelegte Vortriebsstrecke das erreichte Sicherheitsniveau bestimmen und andererseits die Prognose für die noch aufzufahrende Reststrecke verbessern. Somit werden die Planung und speziell die Statik in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Informationsstand ständig aktualisiert. Im Rahmen der Abnahme des Bauwerks müssen der gesamte Vortrieb anhand der während des Vortriebes gesammelten Messdaten und ggfls. zusätzlich unter dem Abgleich mit einer Endvermessung des Rohrstranges rechnerisch nachgefahren und zu jedem Zeitpunkt des zurückgelegten Vortriebes und für jedes Rohr das zutreffende Sicherheitsniveau bestimmt werden. 

Die erforderlichen aktuellen Messwerte von der Baustelle liefert das von der Partnerfirma VMT GmbH speziell auf die Anforderungen von CoJack ausgerichtete Messystem GMS (Gap Measurement System), dessen Sensorik kontinuierlich und automatisch die Vortriebsparameter aufnimmt, archiviert, visualisiert und für den Online-Abruf durch CoJack bereit hält. Die integrierte Aufzeichnung der aktuell anliegenden Pressenkräfte an Haupt- und Dehnerstationen ermöglicht die lückenlose und übersichtliche Dokumentation der online ermittelten Kräfte in Bezug auf einen bestimmten Zeitpunkt und eine bestimmte Vortriebsstation. Diese vom GMS protokollierten Daten lassen den Vortriebsprozess des Rohrstranges nahezu vollständig rekonstruieren und liefern eine sehr umfangreiche Grundlage für weitere Berechnungen. Leistungsmerkmale des Fugenmesssystem GMS:

Somit ist CoJack ein wichtiges Instrument zur Durchsetzung und Stärkung des grabenlosen Leitungsbaus.

www.cojack.eu

Literatur

Vogler, G.: Rohrvortrieb – Beanspruchung von Vortriebsrohren bei Kurvenfahrten. BFT (2002), H.7, S.50-61

Stein, D.: Grabenloser Leitungsbau. Verlag Ernst & Sohn, Berlin 2003

Beckmann, D. ; Stein, R. ; Uhlenbroch, A. ; Fabri, T.: CoJack - A New Statics Method of Computing and Controlling Pipe Jacking , Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research, 22 (5), p.587-599, Sep 2007

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