Bettungswiderstand zyklisch belasteter
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Bettungswiderstand zyklisch belasteter Fernwärmeleitungen Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus Institut für Geotechnik, Leibniz Universität Hannover IHR LOGO F+E-Projekt „Bettungswiderstand zyklisch belasteter Fernwärmeleitungen“ Projektpartner: Leibniz Universität Hannover, Institut für Geotechnik Fernwärme-Forschungsinstitut Hannover AGFW (begleitend) Laufzeit: 1.6.2012 bis 31.5.2015 Gegenstand und Ziel: Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen mit dem Ziel, eine Berücksichtigung des Einflusses der zyklischen Verschiebung auf den Bettungswiderstand in der Bemessungspraxis zu ermöglichen Statusseminar EnEff:Wärme 2014 2 Gliederung • Einleitung/ Problemstellung • Stand des Wissens Reibungskraft Bettungswiderstand • Vorliegende Ergebnisse Numerische Simulation Experimente • Ausblick Statusseminar EnEff:Wärme 2014 3 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Problemstellung • Fernwärmeleitungen dehnen sich infolge Temperaturbelastung im Boden aus Rohr-Boden-Wechselwirkung • Temperaturbeanspruchung ist betriebsbedingt zyklisch • Die zyklischen Effekte auf die Bodenwiderstände werden bislang nur grob bzw. gar nicht berücksichtigt Statusseminar EnEff:Wärme 2014 4 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Verschiebungsmessungen an einem Bogen in Weimar Statusseminar EnEff:Wärme 2014 5 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Temperatur- und Zyklenabhängigkeit der Reibungskräfte Versuchsergebnisse des FFI (Gietzelt et al. 1991) 15 DN 150 h = 0,75 m 10 Friction Force FR in kN/m Friction Force FR in kN/m 15 DN 250 h = 0,75 m 10 h = 0,5 m 5 5 h = 0,5 m : band width 0 0 0 25 50 75 100 125 Operating temperature M in °C First Loading 0 25 50 75 100 125 Operating temperature M in °C Un- / Reloading • Die Reibungskraft hängt von der Betriebstemperatur ab • Für Erstbelastung und Wiederbelastung ergeben sich unterschiedliche Reibungskräfte Statusseminar EnEff:Wärme 2014 6 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Radiale Aufweitung des KM-Rohres – „Tunneleffekt“ Modell und Berechnungsergebnisse von Achmus (1995) rm rm HDPE D-C D (r) C M pi PUR M-D Stahl pi Specific radial displacem ent u C(a)/ D in 2.0 M(i) = 120 K 1.5 C(a) 1.0 M(i) = 0.10 C(a) M(i) = 0.05 0.5 DN 100 DN 200 DN 300 DN 500 DN 700 0 0 200 400 600 Outer diameter D in m m 800 1000 • Die radiale Ausdehnung des KM-Rohres ist nahezu unabhängig von der Bodenreaktionsspannung und nur geringfügig abhängig vom Temperaturfeld Statusseminar EnEff:Wärme 2014 7 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Erddruckerhöhung infolge radialer Aufweitung 3 /m 19 kN ,9) ,k=0 (= 3 ) dicht ,k=0,7 , d n kN/m 8 1 Sa = icht ( mitteld 40 20 3 locker (=18 kN/m , k=0,5) 0 0 20 40 60 80 Mediumtemperaturzunahme 100 M(i) 120 in K h = 1 m; DN 500 60 2 2 60 80 rm in kN/m h = 1 m; DN 200 Mittlere radiale Bettungsspannung 80 rm in kN/m Mittlere radiale Bettungsspannung Berechnungsergebnisse von Achmus (1995) dicht 40 ht mitteldic ker loc 20 0 0 20 40 60 80 Mediumtemperaturzunahme 100 120 M(i) in K • Die Zunahme der Kontaktspannung und damit der Reibungskraft infolge Temperaturerhöhung lässt sich für monotone Erstbelastung rechnerisch plausibel nachvollziehen Statusseminar EnEff:Wärme 2014 8 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Zyklenabhängigkeit der Reibungskraft Versuchsergebnisse von Weidlich (2008) Versuchsstand • Wesentliche Zusammenhänge sind geklärt • In der Bemessung wird dies bislang nur durch Halbierung des Reibungsbeiwerts beim Abfahren der Leitung berücksichtigt Statusseminar EnEff:Wärme 2014 9 Einleitung KM‐Rohr DN 300 L = 200 m h = 1 m Belastungsgeschichte: 0‐120‐60‐120‐0 K Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Rohr: Elastizitätsmodul E = 2.05 108 kN/m2, Querschnitt A = 5.6 10‐3 m2, Streckgrenze F = 235 N/mm2. Reibungskraft: Initial: 8.8 kN/m; Maximum: 11.5 kN/m; Minimum: 5.5 kN/m. x,w Numerisches Modell: Gebetteter Balken mit inkrementeller Lastaufbringung und iterativer Anpassung der Federsteifigkeiten Fru linear elastic - ideal plastic beam EA, F First Loading (0) Fru FR FRu Un- / Reloading 0 Statusseminar EnEff:Wärme 2014 M 0 wu w 10 Einleitung M in K Axial displacement in cm _ Stand des Wissens 3,4 + 827 1316 851 827 + Mit konstanter Reibungskraft (8,8 kN/m) Axiale Verschiebungen: Kaltverlegung: 0 bis 13.5 cm Thermische Vorspannung: ‐3.4 bis 3.4 cm Gleitbereichslänge: Kaltverlegung: ~188 m Thermische Vorspannung: ~94 m 2,6 10,0 60 Ausblick Normal force in kN 0 120 Ergebnisse 503 + 1,0 271 251 1316 8,5 120 838 827 Mit Temperaturabhängigkeit Axiale Verschiebungen: Kaltverlegung: 0 bis 10.3 cm Thermische Vorspannung: ‐5.4 bis 2.6 cm + 2,6 10,3 5,4 _ 0 + + 3,3 323 515 827 Gleitbereichslänge: Kaltverlegung: ~145 m Thermische Vorspannung: ~140 m thermal prestressed pipeline M = 60 K “cold installed” pipeline (0) Statusseminar EnEff:Wärme 2014 11 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Verschiebungsabhängigkeit des Bettungswiderstands Untersuchungen von Audibert & Nyman (1977) Statusseminar EnEff:Wärme 2014 12 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Maximaler Bettungswiderstand Vergleich der Ergebnisse von Audibert & Nyman (1977) und Trautmann & O‘Rourke (1985) • Unterschiedliche Ergebnisse • Tatsächlich ist der Grenzkraftbeiwert durchmesserabhängig (s. Achmus 1995) Statusseminar EnEff:Wärme 2014 13 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Stand der Technik (DIN EN 13941) pu H K q Bodenwiderstandskoeffizienten nach DIN EN 13941 Verschiebungsabhängigkeit: v vu p pu 0,15 0,85 v vu Statusseminar EnEff:Wärme 2014 14 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Stand der Technik zu zyklischen Bettungswiderständen ? ? • Das Systemverhalten ist weitgehend unbekannt Grundlegender Forschungsbedarf! Statusseminar EnEff:Wärme 2014 15 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Forschungsansatz zum zyklischen Bettungswiderstand Numerische Simulation des Systemverhaltens Auswahl eines Stoffgesetzes Ermittlung der Parameter Modellvalidierung durch Technikumversuche Aufbau und Test Versuchseinrichtung Durchführung Versuchsprogramm Statusseminar EnEff:Wärme 2014 16 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Stoffgesetz: Hypoplastizität mit intergranularer Dehnung Benötigte Parameter für Hypoplastizität: -φc: Kritischer Reibungswinkel - pt: Adhäsion - hs: Granulathärte - n: Exponent - ec0: entspricht der maximalen Porenzahl ed0: entspricht der minimalen Porenzahl ei0: entspricht 1,2 * ec0 - α und β: Exponenten Zusätzliche Parameter für intergranulare Dehnung: - Rmax: Maximale intergranulare Dehnung - mR: Zunahmefaktor bei 180° Richtungswechsel - mR: Zunahmefaktor bei 90° Richtungswechsel - βr: Exponenten - χ: Exponent Statusseminar EnEff:Wärme 2014 [Quelle: P.-A. von Wolffersdorf, R. Schwab, Uelzen I Lock – Hypoplastic Finite-Element Analysis of Cyclic Loading, Bautechnik, August 2008] 17 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Ergebnisse numerischer Simulationen Statusseminar EnEff:Wärme 2014 18 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Ergebnisse numerischer Simulationen - statisch Normalspannung σN Totale Verschiebung ǀuǀ Statusseminar EnEff:Wärme 2014 19 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Ergebnisse numerischer Simulationen - zyklisch Totale Verschiebung u Statusseminar EnEff:Wärme 2014 20 Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Technikum: Vorversuche 100,5 Verdichtungsgrad Dpr [%] Einleitung 100,0 99,5 99,0 98,5 98,0 97,5 97,0 96,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Anzahl der Verdichtungsübergänge Vorversuche zum Sandeinbau: ‐ Variation der Anzahl der Übergänge ‐ Variation der Schichtdicke Je Schicht mindestens ein Stutzen als Stichprobe Statusseminar EnEff:Wärme 2014 21 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Technikum: Vorversuche D = 27 cm, h = 0,8 m Statusseminar EnEff:Wärme 2014 22 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Technikum: Zyklischer Versuch Statusseminar EnEff:Wärme 2014 23 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Technikum: Zyklischer Versuch Verschiebungsrichtung Totale Verschiebung u Bruchbilder an der Geländeoberkante bei verschiedenen Zyklen mit ∆ux = 2,5 cm im Verschiebungsbereich von ux = 2,5 ÷ 6,5 cm Statusseminar EnEff:Wärme 2014 24 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Endziel: Wirklichkeitsnahe Berechnung des Betriebsverhaltens einer FW-Leitung Statusseminar EnEff:Wärme 2014 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus Institut für Geotechnik, Leibniz Universität Hannover Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Stoffgesetz: Hypoplastizität Spannungsantwort mit: (I: Einheitsmatrix) dem Faktor: den Pyknotropiefaktoren: (volumetrisches Verhalten) dem Barotropiefaktor (Spannungsabhängigkeit): der Spannungsfunktion: Statusseminar EnEff:Wärme 2014 27 Einleitung Stand des Wissens Ergebnisse Ausblick Laborprogramm Standardversuche Siebung Bodenart mS,fS w [%] 6-7 lockerste Lagerung nmax [1] 0,47-0,48 dichteste Lagerung nmin [1] 0,30-0,315 ρPr [g/cm³] 1,74-1,765 0,96-0,97 Wassergehalt Proctorversuch Scherversuch Lagerungsdichte Kompressions -versuch Zylinderproben DPr [1] φ' [°] 36-38 c' [kN/m²] 2-4 D [1] ~0,7 Es [kN/m²] 33.000 Dmittel [1] nmittel [1] γmittel [kN/m³] 0,735 0,351 18 (σ=100-200kN/m²) Modifizierte Laborversuche für intergranulare Dehnung Schüttkegelversuch Statusseminar EnEff:Wärme 2014 φc [°] 30,832,0 28
