Die neue statische Berechnungs- und Controllingmethode für Rohrvortriebe
- ohne meßtechnischen Mehraufwand ein Maximum an Sicherheit.

Das statisch umfassende Instrument für Planung, Überwachung und Qualitätssicherung.

CoJack ist die leistungsfähige Methode zur Berechnung und Kontrolle von Rohrvortrieben. CoJack behebt den bisherigen Risikofaktor einer Überbeanspruchung der Rohre beim Vortrieb und erhöht damit die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Vortriebsmaßnahmen entscheidend. Dazu begleitet CoJack Vortriebsprojekte von der

* Planung über die
* Bauausführung bis zur
* Abnahme

Statische Problemstellung

Die zentrale Problematik bei der Übertragung der Vortriebskräfte von Rohr zu Rohr besteht darin, dass bei Steuerbewegungen und Kurvenfahrten in den Rohrverbindungen Abwinkelungen entstehen und sich eine sogenannte klaffende Fuge ausbildet. Die Druckübertragungsfläche verkleinert sich, wodurch die Kontaktdruckspannungen zwangsläufig ansteigen. Dieser unerwünschte Effekt wird in der Regel 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

Bild 1: Lastverteilende Wirkung des Druckübertragungsringes bei Abwinklung der Rohrfuge

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 be- und entlastet, wobei sich zudem ständig die Abwinkelung ändert. Er verliert zunehmend seine lastverteilende Wirkung und „verhärtet“.
Bisherige Berechnungsverfahren

Bisher wurde dieses nichtlineare Verhärtungsverhalten bei den üblichen Berechnungsverfahren stark vereinfachend über einen konstanten Elastizitätsmodul für den Druckübertragungsring berücksichtigt, der wegen der zwangsläufig großen Ungenauigkeit weit auf der sicheren Seite gewählt werden muss.

Somit stellt die derzeitige statische Berechnung der Vortriebsrohre lediglich eine „Momentaufnahme“ des Vortriebes dar, welche ausschließlich eine bestimmte Abwinkelung der Rohre, eine Vortriebskraft und insbesondere auch nur eine Steifigkeit des Druckübertragungsringes in Form des E-Moduls berücksichtigt. Damit bleibt das zeit- und beanspruchungsabhängige, hochgradig nichtlineare Werkstoffverhalten des Druckübertragungsringes vollkommen unberücksichtigt. Als Konsequenz bleibt während des gesamten Vortriebes die tatsächliche Beanspruchung des Rohrbetons und damit das jeweils aktuelle Sicherheitsniveau vollkommen unbekannt.

Die Folge sind entweder aus Vorsicht recht kurz bemessene Vortriebsabschnitte, welche die Baumaßnahme unnötig verteuern, oder ein erhöhtes Risiko bezüglich einer Überbeanspruchung der Rohre.

Trotz der in den Normen- und Regelwerken vorgeschriebenen kontinuierlichen Erfassung und Aufzeichnung der wichtigsten Vortriebsparameter konnte bisher eine baubegleitende Aktualisierung der statischen Berechnung mit einer Korrektur der zulässigen Vortriebskraft (erhöhend oder verringernd) unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften des Druckübertragungsringes nicht durchgeführt werden.

Die geschilderte Problematik stellt häufig die Hauptursache für bei Rohrvortrieben auftretende Schäden bzw. Zerstörungen dar. Besonders häufig treten Schäden an der Außenseite der Rohre auf, da die Belastung hier üblicherweise am höchsten ist, insbesondere die Betondeckung Überbelastungen jedoch nicht standhalten kann und abplatzt. Dieser typische Schaden ist vielfach von der Innenseite der Rohre nicht erkennbar, stellt aber eine solch wesentliche Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit der Gesamtkonstruktion dar, dass kurzfristig bzw. innerhalb weniger Jahre mit noch massiveren Folgeschäden zu rechnen ist (siehe Bild 2).
Applatzung Vortriebsrohr

Bild 2: Typische Überlastungsschäden an Vortriebsrohren - fatal für die Dauerhaftigkeit aber von innen nicht erkennbar.

Das neue Berechnungsprogramm CoJack

Mit dem neuen, von der Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum entwickelten Berechnungsprogramm CoJack steht nun ein praxisgerechtes und leistungsfähiges Instrument zur Erhöhung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Rohrvortrieben zur Verfügung.

Es berücksichtigt u.a. erstmals die wesentlichen Eingangsparameter, die einen hohen Einfluss auf die Rohrbeanspruchung haben und in den bisherigen Berechnungsverfahren vernachlässigt werden:

* nichtlineares Steifigkeitsverhalten des Druckübertragungsringes, das individuell für jede Vortriebsmaßnahme über einen Laborversuch bestimmt werden kann,
* Beanspruchungsgeschichte des Druckübertragungsringes zu jedem betrachteten Zeitpunkt des Vortriebs,
* Veränderung der Steifigkeit und der Geometrie des Druckübertragungsringes im Vortriebsverlauf,
* Entwicklung der Längskraft im Vortriebsverlauf und
* Abfolge der durchfahrenen Trassengeometrie (Trasse und Gradiente) mit Steuerbewegungen.

Durch seine modulare Strukturierung ist das Simulationsprogramm nicht nur ein Instrument der Tragwerksplanung, sondern auch der Bauausführung und der Bauabnahme.

* Im Rahmen der Planung dient es der Überprüfung der statischen Berechnung mit Plandaten. Es werden Vorgaben für die Bauausführung hinsichtlich Vortriebskraftentwicklung und Steuerbewegungen gemacht.
* Im Rahmen der Bauausführung werden die bei der Planung angesetzten Vortriebsdaten nach und nach durch auf der Baustelle ermittelte Messwerte (Vortriebskräfte, geometrische Vermessung) ersetzt (siehe Bild 3). Dadurch lassen sich einerseits für die bereits zurückgelegte Vortriebsstrecke das erreichte Sicherheitsniveau bestimmen und andererseits die Prognose für die noch aufzufahrende Reststrecke verbessern und somit die Planung in Abhängigkeit vom jeweiligen Informationsstand aktualisieren. Diese ständig erneuerte Vorausschau auf den weiteren Vortrieb, die einen deutlichen Zuwachs an Sicherheit bedeutet, bietet nur CoJack. Insbesondere bei unerwarteten Vortriebssituationen (z.B. Fehlsteuerung) werden mit CoJack neue Vorgaben für die weitere Bauausführung entwickelt, die in der Regel einen weiteren Vortrieb ohne Überlastung ermöglichen.

Bild 3: Übergang von Plan- auf Messdaten, Nachrechnung und Prognose

* Im Rahmen der Abnahme des Bauwerks kann der gesamte Vortrieb anhand der Messdaten rechnerisch nachgefahren werden und zu jedem Zeitpunkt das zutreffende Sicherheitsniveau bestimmt werden. Gegebenenfalls können einzelne überbeanspruchte Rohre benannt werden, um dort weitergehende Untersuchungen auf Schäden einzuleiten.

Bild 3: Ablaufdiagramm einer Vortriebssimulation

Bild 4 zeigt das Schema einer vollständigen Begleitung einer Vortriebsmaßnahme mit CoJack von der Planung über die Bauausführung bis zur Bauabnahme.
Ergebnisse der Vortriebssimulation mit CoJack

Ergebnisse der Simulation sind neben der Größe der Verformung und der Restdicke des Druckübertragungsringes insbesondere das vorhandene Sicherheitsniveau in Bezug auf die Betondruckspannung, die Teilflächenbelastung des Rohrspitzendes und die Spaltzugspannungen im Lasteinleitungsbereich. Auf Basis dieser Sicherheitswerte lassen sich vortriebsbegleitend die vorhandenen statischen Reserven bestimmen. Dabei können auch außerplanmäßige Sonderfälle wie eine Überschreitung der zulässigen Vortriebskraft oder eine unzulässige Abwinkelung der Rohre mit ihren unmittelbaren Auswirkungen und insbesondere mit ihren Spätfolgen berücksichtigt werden. In diesen Fällen erlaubt CoJack eine kurzfristige Festlegung neuer Grenzwerte für den weiteren Vortrieb ohne Sicherheitsverlust.

So ergeben sich in jeder Phase des Rohrvortriebes wesentliche Verbesserungen gegenüber den bisher angewandten statischen Berechnungsverfahren:

* Bestimmung des Sicherheitsniveaus zu jedem Zeitpunkt,
* Bestimmung der Kraftreserven zu jedem Zeitpunkt,
* detaillierte Vorgaben für die Bauausführung mit vortriebsbegleitender Aktualisierung,
* kontrollierter Einsatz erhöhter Vortriebskräfte im Bedarfsfall,
* verbesserte Dokumentation und Qualitätskontrolle.

Damit gewährleistet CoJack selbst bei schwierigen Vortriebsmaßnahmen ein Höchstmaß an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.
Sicherheit und Transparenz durch CoJack

Das Phänomen der Verhärtung des Druckübertragungsringes birgt erhebliche Gefahren hinsichtlich einer Überbeanspruchung der Rohrbetons insbesondere

* bei langen Vortrieben,
* bei mehreren planmäßigen Krümmungswechseln,
* bei häufigen Versteuerungen und
* bei einem durchgehend hohen Vortriebskraftniveau.

Das Maß der Verhärtung des Druckübertragungsringes ist mit den heutigen Mess-, Dokumentations- und Auswertungsverfahren nur schwer zu erkennen. Selbst die ersten Schäden an den Rohren bleiben meist unerkannt, da die zunächst auftretenden Abplatzungen an der Rohraußenseite von innen nicht sichtbar sind.

Deshalb sind für die sichere Durchführung schwieriger Vortriebsmaßnahmen rechnerische Simulationen im Rahmen der Planung, Bauüberwachung und Bauabnahme unerlässlich - die Simulation mit CoJack schafft Sicherheit für den Rohrvortrieb und macht die Belastung der Vortriebsrohre transparent und kontrollierbar.
Wirtschaftlichkeit durch CoJack

Die Vereinfachungen der bisher üblichen Berechnungsverfahren können ein akzeptables Sicherheitsniveau nur dann bieten, wenn stark auf der sicheren Seite gerechnet wird, indem z.B. der Elastizitätsmodul des Druckübertragungsringes ungünstig hoch gewählt wird. Diese Situation führt z.B. zu relativ geringen Vortriebslängen und Vortriebsgeschwindigkeiten, die die gesamte Baumaßnahme unnötig verteuern.

Mit CoJack wird die tatsächliche Beanspruchung der Vortriebsrohre genau erfasst - so wird das Potential des Verfahrens Rohrvortrieb über Planung, Bauausführung und Qualitätskontrolle voll ausgeschöpft, so dass

* größere Vortriebslängen,
* engere Krümmungsradien und
* höhere Vortriebsgeschwindigkeiten

möglich sind.

Dies führt zu wesentlichen Einsparungen z.B. durch

* Einsparung von Vortriebsbaugruben,
* Einsparung von ansonsten geometrisch erforderlichen Schächten und
* Reduzierung der Bauzeiten.

So lassen sich durch den Einsatz von CoJack bei Vortriebsmaßnahmen wesentliche wirtschaftliche Vorteile erzielen.