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IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH

Großprofile: Reparieren oder rausreißen? Zerstörungsfrei prüfen mit dem MAC-System

Beitrag vom 06. Dezember 2017
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MAC-Einsatz im Kanal, Prüfer kontrolliert Bedieneinheit

Mit dem MAC-System in Rohr und Boden „schauen“: Zerstörungsfreie Prüfung der Standsicherheit von großen Kanälen

Zerstörungsfreie Prüfungen im Kanal mit dem MAC-Gerät und ergänzende Berechnungen am Computer liefern verlässliche Daten für den statischen Nachweis und die Auswahl des Sanierungsverfahrens. Oder die Sicherheit, dass alles in Ordnung ist.

Sanierungsbedarf bei großen Sammlern kann auf drei Ebenen bestehen: Hydraulik, Dichtheit und Standsicherheit. Wenn die Hydraulik nicht stimmt, merkt man es. Wenn Grundwasser eindringt, sieht man es. Wenn Abwasser exfiltriert, vermutet man es. Aber wenn die Standsicherheit nicht mehr gegeben ist, droht es wirklich böse zu werden.

Beim Thema Standsicherheit ist deshalb Sicherheit das wichtigste. Da verbieten sich Kompromisse. Deshalb gilt es, bei der Überprüfung der Standsicherheit so viele verlässliche Daten wie möglich zu erheben, um auf dieser Basis den Zustand des Rohr-Boden-Systems möglichst genau einschätzen zu können und – falls Handlungsbedarf besteht – begründete Entscheidungen über die zu treffenden Maßnahmen zu fällen.

Rausreißen oder nicht?

Wie steht es denn nun um die Großprofile? Rausreißen und neu bauen? Reicht eine Substanzverbesserung? Oder ist alles in Ordnung? Wenn man doch nur in die Rohrwandung hinein schauen könnte… Oder durch das Rohr in die Bettung

MAC-Gerät im Einsatz, Prüfer positioniert Sensor

Mit dem MAC-System lassen sich mit zerstörungsfreien In-situ-Prüfungen und anschließenden Berechnungen der Zustand sowohl des Rohrs als auch des Bodens präzise bestimmen.

Es gibt tatsächlich eine Methode, die mit zerstörungsfreien In-situ-Prüfungen und anschließenden Computerberechnungen den Zustand des Rohrs und die Bettungsverhältnisse präzise erfassen kann. Das MAC-System (Mechanical Assessment of Conduits) wurde von Eau de Paris, dem Wasserbetrieb der französischen Hauptstadt, entwickelt. Das IKT hat dieses System für den Einsatz in kleineren Durchmessern ab DN 1000 angepasst und die eingesetzte Mess- und Regeltechnik weiterentwickelt sowie teilweise automatisiert.

„Mithilfe unseres Systems können Netzbetreiber ökologisch und ökonomisch sinnvolle Kanalsanierungsstrategien beschreiten“, sagt Dipl.-Ing. Martin Liebscher, Projektleiter im IKT. „Dieses Verfahren bietet Vorteile für die Standsicherheitsbeurteilung von Großprofilen und die Qualitätskontrolle von durchgeführten Sanierungsarbeiten.“

MAC schaut in die Bettung

Denn mit dem MAC-System kann man tatsächlich bis in die Bettung „schauen“. Mit ihm kann die Standsicherheit von Beton- und Mauerwerkskanälen mit Nennweiten zwischen DN 1000 und DN 3000 geprüft werden. Es lässt sich herausfinden, ob eine Haltung Schwachstellen hat und – wenn ja – wo diese liegen. Mithilfe anschließender umfangreicher Berechnungen können sogar Aussagen über die Art der Schwachstelle getroffen werden. Ist die Rohrwand geschwächt? Oder ist die Bettung nicht mehr in Ordnung?

Das MAC-Verfahren liefert…
…umfassende Informationen über das Rohr-Boden-System.
…Hinweise, wo nähere Untersuchungen zur Qualität und Geometrie des Sammlers sinnvoll sind.
…zusammen mit den Ergebnissen von FE-Berechnungen und Bohrkernentnahmen die Grundlage für statische Nachweise.

Das MAC-Verfahren ermöglicht…
…Sanierungsmaßnahmen zielgerichtet auf die jeweilige Schwachstelle auszurichten.
…sehr zuverlässige Standsicherheitsbeurteilungen.

Das MAC-Verfahren eignet sich auch…
…zur Qualitätssicherung ausgeführter Sanierungsarbeiten.
…zur wiederkehrenden Kontrolle statisch kritischer Bereiche.
…zur Kontrolle der Einbau- und Bettungsverhältnisse im Rahmen einer Neubaumaßnahme.

Kontrollierte Kraft

Dazu wird im Kanal mit einer hydraulischen Presse kontrolliert eine Kraft auf die Rohrwandung ausgeübt und eine minimale Ovalisierung des Kanalquerschnitts erzeugt. Die zulässige Deformation und die eingeleitete Kraft werden durch eine Vorberechnung ausreichend klein gehalten, um Beschädigungen an der Kanalstruktur in jedem Fall zu verhindern.

Berechnungen bringen Ergebnisse

Grafiken FE-Modell

Diskretisiertes FE-Modell des Kanals (orange) im umgebenden Boden (gelb) mit Lastansatz durch MAC-Gerät (Pfeile) (links im Bild) und resultierende Verschiebungen in Kanalwand und Boden quer zur Kanalachse (qualitativ) aufgrund der Belastung (rechts)

Die resultierenden Deformationen werden an geeigneten Stellen mit Hilfe von Wegaufnehmern gemessen und finden Eingang in eine computergestützte Simulation. Dabei wird ein dreidimensionales FE-Modell (Finite-Elemente-Modell) des Kanals mit der entsprechenden Testsituation erstellt und durch geschickte Parametervariation der Zustand von Rohr und Bettung für alle Untersuchungspunkte ermittelt. Die Ergebnisse liefern verlässliche Eingangsdaten für den statischen Nachweis und konkrete Hinweise für wirkungsvolle Sanierungsmaßnahmen.

MAC im Einsatz

Bei Standsicherheitsproblemen stehen fünf wichtige Ziele im Vordergrund:

  • Schwachstelle finden
  • Reparatursystem identifizieren
  • Schwachstelle beseitigen
  • Reparaturerfolg überprüfen
  • Langzeitwirkung nachweisen

Die Vorgehensweise bei der Durchführung einer Instandhaltungsmaßnahme von der Zustandserfassung bis zur langfristigen Qualitätsüberprüfung ist immer ähnlich. Zunächst verschaffen sich die Prüfer bei einer Begehung des Kanals einen ersten Überblick. Dabei werden die für die MAC-Prüfungen relevanten Parameter – beispielsweise wechselnde Profilweiten- und -höhen, Anschlüsse und Zuläufe sowie aussteifende Bauteile – mit erfasst. Zu diesem Zeitpunkt werden auch das Messraster und die Lage der Messpunkte für die MAC-Prüfung festgelegt. Im Anschluss wird die erste MAC-Prüfung durchgeführt.

Messungen im Kanal

Modul des MAC-Systems wird durch Schachtöffnung abgelassen.

Schnell einsatzbereit: Das MAC-Gerät lässt sich mit wenigen Handgriffen so zerlegen, dass es durch eine normale Schachtöffnung hinabgelassen werden kann.

Das MAC-Gerät kann ohne großen Aufwand in Module zerlegt und so durch einen normalen Schachtkopf in den Kanal abgelassen werden. Unten wird das Messgerät für die Prüfungen wieder zusammengebaut.

Geringe Verformung, große Erkenntnis

Mit einem starken Druckzylinder wird bei den Prüfungen so viel Kraft auf die Wände des Kanals aufgebracht, dass diese sich kontrolliert um wenige Zehntelmillimeter auseinander bewegen, ohne dass der Kanal beschädigt wird. Feine Sensoren messen die entstehende Verformung im Bereich der Druckstempel und in jeweils etwa einem Meter Entfernung davor und dahinter. Die sehr geringe Verformung reicht aus, um unter Einbeziehung des Verformungsbilds und der eingesetzten Kraft den Zustand von Rohr und Boden ableiten zu können.

Vor den Messungen wird eine erste Vergleichsrechnung am Computer durchgeführt. Hierdurch soll festgestellt werden, in welchem Erwartungsbereich die Messwerte liegen sollten. Abweichungen fallen dadurch sofort auf. An diesen Stellen kann dann im Zweifelsfall gleich noch einmal nachgemessen werden. Werden die aus dem zu erwartenden Rahmen fallenden Messwerte bestätigt, wäre eine solche Stelle ein Kandidat für weitere Untersuchungen zum Beispiel durch eine Bohrkernentnahme oder eine Aufschlussbohrung.

Schwachstellen erkennen

Nach den Messungen liegen für den betreffenden Kanalabschnitt die entsprechenden Steifigkeiten des Gesamtsystems im vorher festgelegten Messraster vor. Anhand der Messwerte lässt sich eine komplette Haltung dann in Zonen gleicher Rohr-Boden-Steifigkeit einordnen. Man kann also direkt potenzielle Schwachstellen finden. Anschließend können zielgerichtet die Stellen für nähere Untersuchungen zur Qualität und Geometrie des Sammlers in Form von Bohrkernuntersuchungen festgelegt werden.

Computergestützte Berechnungen

Grafik zur Zonierung der Gesamtsteifigkeiten

Ergebnisse einer MAC-Prüfung: Grafische Darstellung der Gesamtsteifigkeiten (KG) mit Zoneneinteilung

Bei den In-situ-Messungen kann naturgemäß nur die Gesamtreaktion des Rohr-Boden-Systems erfasst werden. Die dabei resultierenden Werte sind reine Rechengrößen und vom Versuchsaufbau sowie der Kanalstruktur abhängig. Um aus diesen Messungen reale, handhabbare Werte ableiten zu können, die Eingang in eine Statik finden können, ist eine kleine Hilfe notwendig. Das gesamte Rohr-Boden-System wird in einem dreidimensionalen FE-Modell simuliert. Hierfür muss die Geometrie des Kanals (Form und Wanddicke) zum Beispiel aus Schnittzeichnungen und den Bauunterlagen bekannt sein. Danach kann gerechnet werden.

Die Messungen in Kombination mit den Berechnungen liefern detaillierte Ergebnisse und eröffnen ungeahnte Möglichkeiten. „Wir können mithilfe der unterstützenden FE-Berechnungen zum Beispiel herausfinden, ob ein Rohr längs oder quer gerissen ist, und auch zwischen Altrohrzustand I und II unterscheiden. Das ist wichtig für die Entscheidung über das Sanierungsverfahren“, erklärt Dr.-Ing. Mark Klameth, Fachmann für FE-Berechnungen im IKT. „Oder wir finden anhand des spezifischen Verformungsbilds eine Schwachstelle in der Bettung. Das MAC-Verfahren lässt sich auch verwenden, um mit wiederkehrenden Prüfungen den Zustand einer Haltung in regelmäßigen Intervallen zu überprüfen.“

Eingangsdaten für statischen Nachweis

MAC-Prüfungen und FE-Berechnungen bilden ein Gesamtpaket. Die Messdaten aus dem Test und die berechneten E-Moduln aus der FE-Analyse ermöglichen Aussagen über die Gleichförmigkeit des Rohr-Boden-Systems über die gesamte Haltungslänge. Die errechneten E-Moduln sind die verlässlichen Eingangswerte für die Berechnung der Rohrstatik, die in der Regel spezialisierte Ingenieurbüros durchführen. Liegen detaillierte Planunterlagen vor oder sind Wanddicken und Festigkeiten anhand von Bohrkernen ermittelt worden, kann ein statischer Nachweis nach DWA-A 127 beziehungsweise DWA-A 143-2 geführt werden.

Entscheidungsgrundlage für Sanierung

MAC-Gerät im Einsatz im Hamburger Untergrund

Mauerwerkskanal in der Hansestadt: Hamburg-Einsatz des MAC-Systems

Falls Handlungsbedarf ersichtlich wird, liefert die Vielzahl der ermittelten Daten eine sichere Grundlage, um die Sanierungsziele festzulegen. Anhand der Ergebnisse der ersten MAC-Prüfung und der FE-Berechnungen kann dann festgelegt werden, welche Ziele im Rahmen einer Sanierung verfolgt werden müssen. Hierbei kann die gesamte Haltung in Sanierungszonen eingeteilt werden, in denen beispielsweise die Dichtheit, die Hydraulik, aber auch der Substanzerhalt beziehungsweise die Substanzverbesserung in den Vordergrund gestellt werden. Im Rahmen der Substanzverbesserung können Sanierungsmaßnahmen zielgerichtet auf die jeweilige Schwachstelle ausgerichtet werden, zum Beispiel als Spritzbetonauskleidungen oder Fugenerneuerung zur statischen Ertüchtigung des Sammlers oder Bodeninjektionen zur Verbesserung der Bettung.

Qualitätssicherung der Sanierung

Im weiteren Verlauf einer Sanierungsmaßnahme kann das MAC-Verfahren auch zur Qualitätssicherung ausgeführter Sanierungsarbeiten oder zur wiederkehrenden Kontrolle statisch kritischer Bereiche herangezogen werden. Es können direkte Vorher-Nachher-Vergleiche oder auch zeitliche Entwicklungen messtechnisch erfasst werden. So kann die Wirkung von Sanierungsmaßnahmen wie Bodeninjektionen oder Spritzbetonauskleidungen direkt ermittelt werden.

Weitere Einsatzbereiche für das MAC

Auch die Kontrolle der Einbau- und Bettungsverhältnisse im Rahmen einer Neubaumaßnahme sind mit diesem Verfahren möglich. Dies insbesondere weil die geplanten Randbedingungen bekannt sind und somit „Sollwerte“ auch für die spätere Prüfung im Betrieb festgelegt werden können. Außerdem erscheint auch der Einsatz des Verfahrens zur Qualitätssicherung der verwendeten Neurohre durchaus denkbar. Hier könnten erhebliche Kosten für die Prüfung der Großrohre eingespart werden.

MAC-System in Schacht

Standsicherheit von Schächten: Messungen im Rahmen des IKT-Warentest „Schachtsanierung“ zeigen, dass mit dem MAC-System auch Schächte überprüft werden können.

Und genauso wie es dem MAC-Gerät egal ist, ob die Rohre, die es prüft, alt oder neu sind, ist es ihm egal, ob sie horizontal oder vertikal verbaut sind. Deshalb können auch Schächte mit dem MAC-System auf ihre Standsicherheit überprüft werden. Im Rahmen des IKT-Warentests „Schachtbeschichtung“ wurde das Verfahren verfeinert. Die Schächte wurden im Neuzustand, im gerissenen und unsanierten Zustand und anschließend im sanierten Zustand geprüft, um den Zugewinn an Standsicherheit zu ermitteln.

Vorteile des MAC-Verfahrens

Die Vorteile der MAC-Methode treten besonders im direkten Vergleich mit der bislang üblichen Vorgehensweise hervor. Bisher war die Standsicherheitsbeurteilung von Großprofilen in der Regel arbeitsaufwändig, kostenintensiv und mit geringen Erfolgschancen beziehungsweise hohen Erfolgsrisiken verbunden.

Blick in die Tiefe

Die Ergebnisse aus der Zustandserfassung sind für die anschließende Auswahl des Sanierungsverfahrens von großer Bedeutung. Die übliche optische Inspektion oder Inaugenscheinnahme liefert hier nur unzureichende Informationen über den Zustand der inspizierten Haltung, denn so kann nur die unmittelbare Kanalinnenoberfläche beurteilt werden. Schäden hinter einer zunächst optisch unauffälligen Oberfläche bleiben dabei verborgen.

Mit dem MAC-Verfahren kann man dagegen tiefer in die Rohrwandung bis hinein in die Bettung „schauen“. So können nicht nur Schwachstellen erkannt werden, die sich an der Oberfläche zeigen.

Ganz gezielte Bohrkernentnahme

MAC-Einsatz in Düsseldorf

MAC-Einsatz im beengten Düsseldorfer Untergrund

Zur Beurteilung der Standsicherheit ist eine Begutachtung der Bereiche hinter oder in der Kanalwand sowie des darüber liegenden Bodenkörpers und des Straßenoberbaus notwendig. Daher werden üblicherweise Bohrkerne entweder an problematisch erscheinenden Stellen oder nach dem Zufallsprinzip entnommen. Wanddicken und Materialfestigkeiten können dabei nur stichprobenartig ermittelt werden.

Mit dem MAC-Gerät werden in festgelegten Abständen – in der Regel alle fünf bis zehn Meter – Messungen über die gesamte Länge der Haltung durchgeführt. Zeigen sich Schwachstellen, können dort ganz gezielt Bohrkerne entnommen werden. Und deutet nichts auf Schwachstellen hin, dann ist die Wahrscheinlichkeit deutlich größer, dass da auch wirklich nichts ist, und man spart sich möglicherweise auch unnötige Sanierungskosten.

Konkrete Hinweise für zusätzliche Bodenerkundung

Die Erkundung des umliegenden Bodens erfolgt klassischerweise zumeist durch Erkundungsbohrungen von der Oberfläche aus. Da diese jedoch zum einen recht teuer sind und zum anderen einen von querenden Leitungen freien Querschnitt erfordern, werden diese nur sehr sporadisch durchgeführt.

Mit der MAC-Methode können auch Aussagen über die Bettungsverhältnisse des Kanals getroffen werden. Deuten Messwerte auf eine unzureichende Bettung zum Beispiel durch Ausspülungen hin, kann man an den betroffenen Stellen ganz gezielt genauer hinschauen.

MAC liefert breite Datenbasis

MA-Einsatz in Weston-super-Mare

Einsatz des MAC-Geräts in einem Wickelrohr-sanierten Kanal in Weston-super-Mare, England

Die klassische Vorgehensweise kann zu erheblichen Fehleinschätzungen hinsichtlich des baulichen Zustands und des aktuellen Sanierungsbedarfs führen. Denn sie liefert lediglich Daten, auf deren Basis eine zuverlässige Beurteilung der Standsicherheit und die fundierte Auswahl des passenden Sanierungsverfahrens nur eingeschränkt möglich sind. Zudem fehlt beim klassischen Vorgehen eine Möglichkeit zur Überprüfung des reparierten Rohr-Boden-Systems.

Für die Auswahl des Sanierungsverfahrens stellt die MAC-Methode eine breitere Datenbasis zur Verfügung, auf der Kanalnetzbetreiber fundierte Entscheidungen treffen können. Nach einer erfolgten Sanierung ermöglicht die MAC-Methode einen direkten Vorher-Nachher-Vergleich. Ein Vergleich der Messwerte vor und nach der Sanierung bringt Sicherheit, ob die Maßnahmen wirkungsvoll waren oder nicht.

Aufwand und Kosten

Die durch den MAC-Einsatz und die anschließenden Berechnungen nach der Finite-Element-Methode entstehenden Kosten liegen unterhalb der Jahreskosten für Großprofile bei Ansatz des Wiederbeschaffungswerts. Bei angenommenen Baukosten von etwa 1500 Euro pro Meter und einer Abschreibung auf fünfzig Jahre ergeben sich Jahreskosten von 30 Euro pro Meter.

MAC-Einsatz in Worms

Prüfung eines Mauerwerkskanals unter Worms mit dem MAC

Eine MAC-Prüfung mit anschließender Berechnung schlägt lediglich mit etwa 18 bis 25 Euro pro Meter zu Buche. Die Kosten setzen sich zusammen aus Anfahrt mit dem MAC-Einsatzfahrzeug, Montage und Demontage des Systems, Durchführung der Prüfung und Aufwand für die FE-Berechnungen. Die Verkehrssicherung, die Gewährleistung des ungefährdeten Zugangs zum Kanal (Reinigung, Absperrung, Belüftung usw.) und eventuelle Bohrkernentnahmen sind hier nicht berücksichtigt. Die Kosten pro Meter Kanal sind weiterhin maßgeblich vom Untersuchungsintervall, also von der Anzahl der durchzuführenden Messungen und von den sonstigen Randbedingungen wie Zugänglichkeit und vor Ort mögliche Prüfzeiten abhängig.

Die Tagesleistung liegt unter optimalen Randbedingungen bei einem Messintervall von 10 Metern bei etwa 200 bis 300 Metern. Bei mehrtägigen Einsätzen kann sich die Tagesleistung erhöhen, wenn das MAC-Gerät über Nacht im Kanal belassen werden kann und dadurch Rüstzeiten entfallen.

MAC im Einsatz

Das IKT war mit seinem MAC-System bereits in einigen deutschen Groß- und Mittelstädten wie Hamburg, Düsseldorf, Schwerte oder Worms im Einsatz. Und für Wessex Water, einen Wasser- und Abwassernetzbetreiber im Südwesten Englands, wurde das MAC-Gerät sogar verschifft, um in Bournemouth an der Küste des Ärmelkanals und in Weston-super-Mare bei Bristol in Rohr und Boden zu „schauen“. Dort weiß man jetzt, wie es um die Großprofile steht.

Ansprechpartner

IKT-Prüfstelle
Dipl.-Ing. Martin Liebscher

Telefon: 0209 17806-23
E-Mail: liebscher@ikt.de
www.ikt.de

 

Vorgehensweise bei der MAC-Methode

MAC und IKT-Prüfstelle
  • Vorarbeiten
    – optische Inspektion (z.B. nach Muster ZTV)
    – MAC-Vorinspektion (Messraster, Einbauten usw.)
  • Durchführung der ersten MAC-Prüfung
    – Messungen im festgelegten Raster
    – Ermittlung der Steifigkeit des Rohr-Boden-Systems
  • Ergebnisse der ersten MAC-Prüfung
    – Gleichförmigkeit des Rohr-Boden-Systems
    – Ortung von Schwachstellen im Rohr-Boden-System
    – Festlegen von Bohrkernentnahmestellen
  • FE-Berechnung
    – 3D-Simulation von Kanal und Versuchsaufbau
    – Trennung von Boden und Rohr
    – Ortung von Schwachstellen in Rohrwand und Bettung
    – Ermittlung der statischen Berechnungsgrößen
  • Ergebnisse der Wiederholungsprüfung
    – Beurteilung des Sanierungserfolgs
    – Beurteilung der „Alterung“ des Kanals über die Jahre
  • Quantifizierung von Standsicherheitsrisiken
    – Statischer Nachweis nach DWA-A 143-2
Netzbetreiber oder Fremdvergabe
  • Sanierungsanalyse
    – Einteilung in Sanierungszonen
    – Festlegung der Sanierungsziele: Abdichtung / Hydraulik / Substanzerhalt
    – Festlegen des Altrohrzustands
    – Bodenverbesserung / Bodennachweis
  • Sanierung
    – Auswahl der Verfahren und Materialien
    – Durchführung der Sanierung
MAC und IKT-Prüfstelle
  • Qualitätssicherung der Sanierung
    – Durchführung einer weiteren MAC-Prüfung
    – direkter Vorher-nachher-Vergleich
  • Nachweis der Langzeitwirkung
    – weitere MAC-Prüfungen in festgelegten zeitlichen Abständen
    – Vergleich über längere Zeiträume möglich

 

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