6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 87 Tragwerksplanung Ruhrwasserwerk Echthausen Wolfgang Naumann 1. Allgemeine Vorbemerkungen Ziel des Vortrages ist, die Probleme der Tragwerksplanungen anhand der Besonderheiten der Wassergewinnungsanlage mit Druckbehältern in Echthausen aufzuzeigen. Der Schwerpunkt wird auf der Erarbeitung der Grundlagen der statischen Nachweise liegen. Zu untersuchen war im Vorfeld der statischen Berechnung, ob die zum Zeitpunkt der Planung der Wassergewinnungsanlage gültigen Richtlinien ausreichen die ‚‘Allgemein anerkannten Regeln der Technik‘‘ zu erfüllen. Die Zusammenstellung zeigt, die Vielfalt von Richtlinien, die sich auf Flüsssigkeitsbehälter beziehen. (Anlage 1) Anlage 1 _3H1D4_2.3 Naumann_s0006.pdf; s1; (209.93 x 296.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 40; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Zum Bauwerk selbst: Das Wasserwerk Echthausen in Westfalen besteht seit 1942 und arbeitet mit uferfiltriertem Grundwasser aus der Ruhr. Seit 2001 sind die ‚‘Wasserwerke Westfalen GmbH‘‘ Betreiber der Anlage. Die ‚‘Wasserwerke Westfalen GmbH‘‘ ist eineTochtergesellschaft der ‚‘Dortmunder Energie und Wasserversorgungs GmbH‘‘ und der ‚‘Gelsenwasser AG ‚‘. Das verlängerte Wasserrecht für Echthausen im Jahre 2011 erlaubte die Vergrösserung der Aufbereitung und Förderung von Tinkwassermengen. ( 2 Mio m³/ Jahr). So begann bereits im Jahr 2010 die Planungen für die Erweiterung der Wasserbereitungsanlage. Die Planung sah vor, ein System zu wählen, bei dem das Wasser mit Druck aus Pumpen durch die einzelnen Aufbereitungsstufen gefördert wird. In der Anlage2 ist die Aufbereitung des Wassers schematisch dargestellt. Die Erweiterung der Anlage ist im Bild rot umkreist. Jede Stufe erfordert ein spezielles Bauwerk, die kompakt im Entwurf des Bauherrn in einer Halle untergebracht werden sollten. Anlage 2 _3H1D9_2.3 Naumann_s0007.pdf; s1; (209.93 x 296.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 37; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien 88 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 Tragwerksplanung Ruhrwasserwerk Echthausen In der Anlage 3 ist der Weg des Wassers im Querschnitt der Bauwerke dargestellt. Um in die Tragwerksplanung d.h. in die Nachweise der Grenzzustände der Standsicherheit (GZT) und die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (GZG) einsteigen zu können, war zu klären welche Einwirkungen (Lasten,Eigenspannungszustände,Verformungen) Sicherheitsfaktoren und Kombinationsbeiwerte Expeditionsklassen in diesen speziellen Bauwerken zu berücksichtigen sind. Anlage 3 _3H1DA_2.3 Naumann_s0008.pdf; s1; (209.93 x 296.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 52; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien 2. Die Einwirkungen Alle Einwirkungen aus Eigenlasten und Verkehr sind in DIN EN 1991-1 bis 4 u. 6 geregelt. Die Einwirkungen aus den Wasserlasten mußten mit dem Auftraggeber abgeklärt werden. Die Wasserdrücke in den einzelnen Bauwerken setzen sich aus zwei Teilen zusammen, dem hydrostatischen Wasserdruck und den durch Pumpen erzeugten Wasserdruck. Der hydrostatische Wasserdruck ergibt sich aus der Höhe des Wasserspiegels. Der Druck aus den Pumpen, der erforderlich ist, das Wasser durch die Anlage zu transportieren, wurde für verschiedene Betriebszustände vom Nutzer der Anlage ermittelt. Dabei wurden die Druckverluste durch Reibungen und Höhendifferenzen berücksichtigt. Der von den Pumpen erzeugte Wasserdruck wirkt wie ein Eigenspannungszustand. Er steht in jedem Behälter rundum im Gleichgewicht. Die Anlage 4 gibt die Ergebnisse der Berechnungen der Hydrauliker wieder. Die Überdruckventile sollten urspünglich auf 3,5 bar ausgelegt werden. Das entspräche vergleichsweise einer Wasserhöhe von 35 m und läge weit außerhalb der Richtlinien zur Erreichung der Dichtigkeit. Auffällig in den Druckermittlungen des Bauherrn ist der Zuschlag von 50 % zum maximalen Innendruck sowohl für den hydrostatischen als auch den Pumpendruck. Diese Erhöhung soll die Unsicherheiten der Berechnung der Pumpendrücke abdecken. Die Werte sind als die charakteristischen Einwirkungen in die Nachweise einzuführen, also noch ohne Sicherheitsfaktoren. Anlage 4 _3H1DE_2.3 Naumann_s0009.pdf; s1; (209.93 x 296.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 51; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Als weitere Einwirkungen sind die in W300 Abschnitt 6.4.2.2 festgelegten Zwangsbeanspruchungen aus wechselnder Temperatur zu berücksichtigen. Für innenliegende Behälter sind das: ∆ TM = +5K/ -5K für Momente erzeugende Temperaturen ∆ TN= +10K/ -10K für Normalkraft erzeugende Temperaturen Die DIN EN 1991-1-5 ‚‘Allgemeine Einwirkungen Temperatureinwirkungen‘‘ findet man für den Sonderfall der Flüssigkeitsbehälter keine Angaben. Die Werte der Einwirkungen aus den Eigenlasten der Kornaktivkohle, der hydroanthrazit Körnung, des Filtersandes für die Adsorber und Schnellfilter ohne und mit Auftrieb unter Berücksichtigung des Winkels der inneren Reibung für die Ermittlung des Ruhedruckes entsprechen den Erfahrungen des Nutzers. Eine weitere Einwirkung war entsprechend des Gutachtens des Baugrundsachverständigen zu berücksichtigen. Der höchste Ruhrwasserstand ist auf Geländehöhe der 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 89 Tragwerksplanung Ruhrwasserwerk Echthausen Anlage zu erwarten. Dementsprechend steht das gesamte Untergeschoss unter Auftrieb. 3. Ermittelung der Sicherheitsfaktoren für die Nachweise GZT und GZG Für die Einwirkungen aus Eigenlasten und Verkehr sind die Sicherheitsfaktoren nach dem Arbeitsblatt W300 Abschnitt 6.2 ‚‘Tragwerksplanung‘‘ mit Hinweis auf die allgemein gültigen Normen und Vorschriften einzuhalten. In den einschlägigen Normen wird unterschieden zwischen Teilsicherheitsfaktoren für die Materialeigenschaften und für die Einwirkungen. Die Teilsicherheitsbeiwerte für die Materialeigenschaften sind in den Materialnormen festgelegt. z.B für Stahlbeton in DIN EN 1992-1-1. Die Teilsicherheitswerte für die Einwirkungen und Kombinationswerte sind im Allgemeinen in der DIN EN 1990/ NA Tabelle NA.A.1.2(A) und NA.A.1.2(B) geregelt. Aus diesem Regelwerk sind die Besonderheiten für die Sicherheitsfaktoren aus hydrostatischem und Pumpen- Druck und den Temperaturdifferenzen nicht abzuleiten. Auch die W300 legt für Wasserdrücke Sicherheitsfaktoren nicht fest. In DIN EN 1992-3 ‚‘Silos und Behälterbauwerke aus Beton‘‘ werden gemäß Abschnit 1.1.2 die Gültigkeit dieser Norm für Druckbehälter ausgeschlossen. Sicherheiten für den hydrostatischen Druck sind in dieser Norm unter Abschnitt B3 mit gF = 1,2 für den Betrieb als Vorschlag (informativ) genannt. Dieser Wert kann als ausreichend für die Nachweise GZT angesehen werden, da die Wasserstandshöhe in den Behältern sich nicht verändert und die Sicherheit für die Innendrücke bereits sehr hoch angesetzt wurde,was auch den hydrostatischen Druck mit einschloß. Die Kombinationsfaktoren werden für die Beanspruchung aus den Wasserlasten zu g0, g1 und g2 = 1 gesetzt, da alle möglichen Zwischenwasserstände, geleerte oder gefüllte Behälter nicht ausgeschlossen werden kann. Für das Sicherheitsniveau der Lastfälle aus Temperatureinwirkungen gilt DIN EN 1992-1-1/ NA - NCI zu 2.3.1.3(4). Danach darf für die Temperaturlastfälle im GZT der Sicherheitsfaktor g QT = 1 angesetzt werden, wenn beim Nachweis der Schnittkräfte mit den Steifigkeiten der ungerissenen Querschnitte gerechnet wird. Die Temperaturlastfälle sind Eigenspannungszustände. Bei fortschreitender Belastung bauen diese sich durch die Steifigkeitsverluste ab bis zu Werten gegen Null. 4. Dauerhaftigkeit und Wasserdichtigkeit der Behälter (GZG) Um die Dauerhaftigkeit und Wasserdichte der Behälter zu gewährleisten, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die während der Planungsphase hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Ausführbarkeit erörtert wurden. Das sind ohne auf Einzelheiten einzugehen: 1. Ozonreaktoren in Stahl aus nichtrostendem oder normalem Baustahl 2. Auskleidung der Behälter mit Stahlfolien. Die Geometrie der Behälter ist dafür zu 3. kompliziert und die Verkleidung zu aufwändig. 4. Innenanstrich oder alkalische Innenbeschichtung 5. Ausführung in Spannbeton 6. Stahlbeton mit Rissebeschränkung und Selbstheilung von Rissen. Die Entscheidung fiel auf die Ausführung in Stahlbeton mit zu erwartenden Trenn- und Biegerissen mit beschränkter Rißweite und einer zusätzlichen mineralischen risseüberbrückenden Beschichtung (z.B. Kerasal) Es war zu prüfen, ob bei dieser Entscheidung die Erfordernisse der einschlägigen Richtlnien in allen Belangen erfüllt werden können. Nach der W300 sind für Wasserbehälter die Beanspruchungsklasse 1 und die Nutzungsklasse A zugrunde zu legen. Die Anforderungen der Beanspruchungs- und Nutzungsklassen sind in der DAfStb-Richtlinie ‚‘Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton‘‘ (WU-Richtlinie) definiert. Da bei Behältern unter zusätzlichem Innendruck unvermeidlich Risse infolge der Spannungen aus Zug und Biegung aus den Lastfällen ‚‘Wasserdrücke‘‘ und ‚‘Eigenspannungszuständen‘‘ auftreten, können nur die Bedingungen der Nutzungsklasse B erfüllt werden. Danach sind Feuchtstellen an der Oberfläche der Stahlbetonbehälter zulässig. Das ist nach W300 sinngemäß gegeben, wenn nach Abschnitt 6.4.3.2 die Rissweiten wk = 0,1 bis 0,15 begrenzt werden und die Druckzonenhöhe mindestens 50 mm beträgt. Diese Druckzonenhöhe kann unter den gegebenen Umständen nicht flächendeckend eingehalten werden. Der rißüberbrückende Innenputz soll diese Abweichung von der Richtlinie ersetzen, wenn die Selbstheilung der Risse nicht vollständig eintritt. Ähnliche und weitere Anforderungen kann man sinngemäß aus der DIN 1992-3 herleiten. Dort werden in Tabelle 7.105 Undurchlässigkeitsklassen beschrieben. Hier entspricht die Dichtigkeitsklasse 1 der Nutzungsklasse B. Danach sind Feuchtigkeitsdurchtritte akzeptabel. Nach Angabe des Nutzers greift das ozonhaltige Wasser den Beton nur schwach an und ist demzufolge gegen chemischen Angriff in die Expetitionsklasse XA1 einzuordnen. Da der ph-Wert i.M. bei 7,49 weit über dem Mindestwert von 4,5 und der kalklösende Kohlenstoffgehalt mit 8,5 mg/ l deutlich unter 40 mg/ l liegen, kann nach DIN EN 1992-3/ NA Tabelle NA1 Selbstheilung der Risse angenommen werden. Ähnliche Grenzwerte sind der ‚‘WU-Richtlinie ‚‘ Tabelle 2 zu entnehmen. Als maßgebender Mechanismus für diesen Prozess ist die Bildung von Kalziumkarbonat und weitere Hydratation des Zementsteines. Dieser Vorgang erfordert Zeit und setzt andauerndes Durchströmen der Risse voraus. In Anlage 5 ist der Wasserdurchtritt während der Erstbelastung aufgenommen, in Anlage 6 90 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 Tragwerksplanung Ruhrwasserwerk Echthausen nach Aufbringen des Innenputzes und teilweiser Verpressung der undichten Stellen. Die punktförmigen Wasseraustritte sind auf schlechte Verdichtung des Betons zurückzuführen. Der Anlage 7 zeigt das Rißbild an der Giebelseite. Anlage 5 _3H1CZ_2.3 Naumann_s0010.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 28; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Anlage 6 _3H1D5_2.3 Naumann_s0011.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 31; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Anlage 7 _3H1D6_2.3 Naumann_s0012.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 56; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Dort wird die Risseverteilung nicht durch grössere Aussparungen beeinflußt. Die inneren Schotten wurden nachträglich eingebaut und über Schraubanschlüsse in das statische System angebunden. Zwischen Bodenplatte und der in grösserem Zeitabstand betonierten Wandscheibe traten die erwarteten Risse aus Schwinden des Betons auf. Die Rissweiten überschritten nicht die kalkulierten Rissweiten. Der Schrägriss entspricht der Theorie. In den USA wurden die Mechanismen der Selbstheilung eingehend erforscht und Betonzusätze entwickelt, die die Selbstheilung des Betons herbeiführen. Diese Betonzusätze werden in Kanada und USA erfolgreich eingesetzt. Eines der Mittel ist in Deutschland bauaufsichtlich zugelassen. Eine weitere interessante Entwicklung die Selbstheilung herbeizuführen wird zur Zeit von Prof. Hendrik Jonkers an der Delfter TU erforscht. Das Team entdeckte Mikroorganismen, die Kalziumkarbonat erzeugen, die Risse bis 0,8 mm schließen sollen. Die Bakterien sind nicht krankheitserregend. Das Mittel wird in den Niederlanden bereits angewendet. In Deutschland ist beabsichtigt eine bauaufsichtliche Zulassung zu erwerben. 5. Statisches System Ausschlaggebend für die Wahl des statischen Systems war die Empfehlung des Baugrundsachverständigen als Gründungskonstruktion eine Plattengründung zu wählen. Das Reinwasserbecken, das unter der Wassergewinnungsanlage angeordnet wurde, erfordert ohnehin eine dichte Bodenplatte. Wir haben ein 3-D-Modell moduliert, das sich über alle Bauteile erstreckt. Anlage 8 zeigt das Gesamtsystem und Anlage 9 und 10 die innere Struktur der Behälter nach Ausschaltung verschiedener Layer. Anlage 8 _3H1D7_2.3 Naumann_s0013.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 45; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 91 Tragwerksplanung Ruhrwasserwerk Echthausen Anlage 9 _3H1DC_2.3 Naumann_s0014.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 33; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Anlage 10 _3H1DD_2.3 Naumann_s0015.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 45; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien In Anlage 11 ist die Innenausstattung der Adsorptions- und Filterbehälter dargestellt. Die Scheiben haben wir aus FEM-Elementen zu komplexen Tragwerken figuriert. Die Gründungsplatte wurde nach dem Bettungszifferverfahren elastisch gelagert. Nach Angabe des Baugrundsachverständigen sollte bei diesem Verfahren mit einer Bettungsziffer von 10 MN/ m³ gerechnet werden. Anlage 11 _3H1DH_2.3 Naumann_s0016.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 41; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Die hohen exzentrischen Lasten der Ozonreaktoren erforderten zunächst an der gegenüber liegenden Seite der Bodenplatte einige Zugpfähle. Durch Aufstockung des Werkstattgebäudes konnte auf diese Pfähle kostensparend verzichtet werden. Die Bemessung der Scheiben, Betonstützen und Unterzüge ist im System enthalten. An den Verbindungskanten waren allerdings Zusatzuntersuchungen erforderlich, da durch den Innendruck die sogenannten Rahmenecken umgekehrt beansprucht werden wie üblich. Für die Bemessung an den Schnittstellen der Platten haben wir mit den Schnittkräften aus den x-y Ebenen des Hauptsystemes Untersysteme in den Ebenen x-z bzw. y-z gebildet. Die Ergebnisse sind in den Bildern (Anlagen 12, 13, 14, 15) dargestellt. Anlage 12 _3H1DG_2.3 Naumann_s0017.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 47; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Anlage 13 _3H1DI_2.3 Naumann_s0018.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 55; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Anlage 14 _3H1D2_2.3 Naumann_s0019.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 34; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien 92 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 Tragwerksplanung Ruhrwasserwerk Echthausen Anlage 15 _3H1D1_2.3 Naumann_s0020.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 48; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien Sie zeigen den Trajektorenverlauf, die Kräfte im horizontalen Bemessungsschnitt 1,0 m über der Bodenplatte an. An den Stellen sehr hoher Schubspannung haben wir die Bügel durch Schubdübelleisten ersetzt. Dadurch werden beim Betonieren die Verdichtungsmaßnahmen weniger behindert. Da die Dübelleisten von oben bzw. seitlich eingeführt werden, vereinfacht sich gegenüber von Bügelbewehrungen die Verlegearbeiten des Bauunternehmers. (Anlage 16) Noch ein paar Zahlen, die bei Sonderbauwerken von Interesse sind: Es wurden insgesamt 1070 t Stahl und 6175 m³ Beton C 30/ 37 eingebaut, das sind 173 kg Betonstahl BSt. 500/ m³ Beton Anlage 16 _3H1DF_2.3 Naumann_s0021.pdf; s1; (296.93 x 209.93 mm); 09.Aug 2021 11: 45: 31; PDF-CMYK für Prinergy; L.N. Schaffrath DruckMedien