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Bodenphysikalische Bewertung der Kabelpflugtechnologie zur Legung von 380-kV-Stromkabeln

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[Quelle: https://d-nb.info]

Die deutsche Energiewende erfordert nicht nur eine Transformation der Energieproduktion, sondern gleichzeitig ein Aus- und Umbau des Stromnetzes. Ein zunehmender Anteil der Stromtrassen soll dabei unterhalb der Erde verlaufen. Der Trassenbau erfolgt zumeist über die offene Bauweise (OB), die deutlich zeit- und kostenintensiver als der Bau von Freileitungen ist. Eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative zur OB ist auf niedrigen Spannungsebenen die Kabelpflugtechnologie (KPT). Ziel dieser Forschungsarbeit besteht in der Beurteilung dieser Technologie als Alternative zur OB auf der 380-kV-Höchstspannungsebene. Den Bewertungsrahmen bilden die Kabelbettanforderungen der offenen Bauweise, die auch vom Kabelpflug erfüllt sein müssen: 1. korrekte Bodentiefen und Abstände der Schutzrohre, Warn- und Schutzbänder, 2. keine Hohlräume, 3. Mindestverdichtung von 80 % zum Referenzboden und 4. Wärmeleitfähigkeiten bei feuchten und trockenen Bodenbedingungen von jeweils 1,0 W m–1 K–1 und 0,4 W m–1 K–1. Diese Anforderungen dienen dem Zweck, während des Betriebs der Stromkabel die Leitertemperaturen, TL, unterhalb einer kritischen Temperatur, Tk = 90°C, zu halten, um Kabelschäden zu verhindern. Zwei Arbeitspakete bestanden dabei in dieser Forschungsarbeit: (i) Feld- und Laboruntersuchungen, um die Auswirkung des Kabelpflugs auf den Boden zu bestimmen, und (ii) numerische Simulationen mit der Software Delphin 6, um die thermische Auswirkung der erfassten Standortbedingungen auf TL zu prognostizieren. Der 1. Prototyp des Kabelpflugs kam 2019 an zwei Standorten, Aurachtal und Wartjenstedt, zum Einsatz. Die Kabelbettanforderungen 1–4 wurden in keinem Profil alle erfüllt. Um eine bessere Bodenverdichtung zu erzielen und die Bildung von Hohlräumen zu unterbinden, wurde zwischen 2019 und 2020 der starre Kabelpflug in einen mobilen Kabelpflug umgebaut. Der 2. Prototyp kam dann 2020 auf der gleichen Trasse in Wartjenstedt zum Einsatz. Durch die Modifikationen konnten Anforderung 1 und 2 erfüllt werden. Zur Überprüfung von Anforderung 3 und 4 wurden die Laboruntersuchungen herangezogen. Mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmessung wurde für vier ausgewählte und im Labor selbst gepackte Substrate die λ(θ)-Beziehung ermittelt (Sand: Sl3; Schluff: Ut3; Ton: Lt3; Lehm: Slu). Durch die Messungen ließ sich für jede Bodenart eine Mindesttrockenrohdichte (ρB,min) ermitteln, ab der Kabelbettanforderung 4 erfüllt ist (Lt3: 1,64 g cm–3; Sl3, Slu, Ut3: 1,50 g cm–3). Der Verdichtungsgrad von mindestens 80 % und das Erzielen von ρB,min wurde nur von den lehmigen Profilen erfüllt. Im Jahr 2021 kamen in Aurachtal zuletzt die zwei speziellen Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ zum Einsatz (Sand, St2), die beide Potenzial zur Verbesserung der Verdichtung aufzeigen. Die Untersuchung von zwei flüssigen Verfüllmaterialien, DrillMix 160 und Cable Cem F 0,4 des Unternehmens HeidelbergCement AG, sollte Aufschluss darüber geben, ob das Einbringen eines der beiden Substrate während des Kabelpflugeinsatzes Hohlräume vermeiden und Verdichtungen erhöhen könnte. Während das Cable Cem F 0,4 den thermischen Kabelbettanforderungen entsprach, wurde bei beiden Substraten während des Austrocknens ein irreversibles Schrumpfen festgestellt. Eine dauerhafte Lösung bietet daher keines der beiden Produkte. Die im Feld und Labor erfassten Eigenschaften der vier Bodenarten wurden in den numerischen Modellierungen berücksichtigt. Zielgröße stellte für die Bewertung TL und Tk dar. Insgesamt ergab sich hinsichtlich TL die Reihenfolge TL,Sand < TL,Schluff < TL,Lehm < TL,Ton mit einer Differenz in TL,median zwischen Sand und Ton von 5,6°C. Neben der Bodenart zeigt sich auch, dass ρB einen relevanten Einfluss auf TL hat. Dabei nahm TL beim Schluff um 0,7°C, beim Ton um 0,6°C und beim Lehm um 0,5°C mit einer Zunahme von ρB um 0,10 g cm–3 ab. Beim Sand wurde ein vernachlässigbarer Effekt ermittelt. TL-Ergebnisse der Kabelpflugszenarien einer Bodenart lagen bis ρB-Werten von 2,0 g cm–3 über denen der OB (Schluff: 1,9 g cm–3). Bei den Kabelpflugszenarien mit ρB = ρB,min betrug für die vier Bodenarten TL der KPT mindestens 103 % (Sand) und höchstens 106 % (Schluff, Ton, Lehm) von TL der OB. Keine der durchgeführten Szenarien ergab dabei TL > Tk. Die Modellierung bei kompletter Austrocknung unterstrich jedoch, dass ρB,min erfüllt sein muss, damit Tk nicht überschritten wird. Die in dieser Forschungsarbeit untersuchten Bodenarten konnten in drei Eignungsklassen für die KPT eingeordnet werden (geeignet, eingeschränkt geeignet, weniger geeignet). Bei Klasse I handelt es sich um nicht bindige Böden und bindige Böden mit breiten Korngrößenverteilungen (Sand, Sl3 und Lehm, Slu). Es bestehen hohe λ(θ)-Werte, während ρB,min im Feld bereits erzielt wird (Lehm) oder erwartet werden kann erzielt zu werden (Sand). Die KPT eignet sich an diesen Standorten. Spezielle Kabelpflugtechniken oder weitere Kabelpflugoptimierungen sind nicht erforderlich. Bei Klasse II handelt es sich um (i) bindige Böden mit mittleren ρB,min-Werten (Schluff, Ut3) und (ii) nicht-bindige Böden mit engen Korngrößenverteilungen in der Sandfraktion mit hohen ρB,min-Werten (Sand, St2). Die erforderlichen ρB,min wurden im Feld nicht (Schluff) bzw. mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht (Sand) erzielt. Für den Sand steht eine Bestimmung von ρB,min noch aus. Die KPT eignet sich eingeschränkt an diesen Standorten. Ein Einsatz des Kabelpflugs unter möglichst trockenen Bodenbedingungen könnte u. U. das Erzielen von ρB,min ohne die speziellen Kabelpflugtechniken ermöglichen, wenn dadurch die Ausrollgrenze der Substrate unterschritten wird. Die Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ sind in ihrer Verdichtungswirkung noch zu bewerten. Eine Eignung der Klasse II ist zukünftig denkbar. Bei Klasse III handelt es sich um sehr bindige Böden (Ton, Lt3). Diese Böden zeichnen sich aufgrund der Mineralogie durch geringe λ(θ)-Beziehungen aus. Im Feld wird ρB,min nicht erreicht. Aufgrund von möglichem Schrumpfungsverhalten kann u. U. kein dauerhafter Kontakt zwischen Schutzrohr und Bodenmatrix garantiert werden. Die KPT eignet sich weniger an diesen Standorten. Eine Unterschreitung der Ausrollgrenze ist unter den Klimabedingungen Mitteldeutschlands auch nicht nach Trockenperioden zu erwarten. Eine Verbesserung durch den jahreszeitlich bedingten Einsatz des Kabelpflugs sowie durch die Kabelpflugtechniken „Wasserzufuhr“ und „Vibration“ ist daher kritisch zu beurteilen. Das Grundproblem schlechter thermischer Eigenschaften und des möglichen Schrumpfungsverhaltens kann auch nicht durch weitere Optimierungen behoben werden. Die Bestimmung der Eignung aller Bodenarten für die KPT und für den Einsatz der speziellen Kabelpflugtechniken zur Nachverdichtung erfordert weitere Forschungsarbeiten und Kabelpflugeinsätze. Angesichts dieser Ergebnisse kann die KPT auch auf der 380-kV-Spannungsebene unter Erfüllung der erforderlichen Kabelbettanforderungen einen positiven Beitrag zur Energiewende leisten. Weitere Forschungsschwerpunkte lassen sich aus dieser Arbeit ableiten, auf deren Grundlage weitere Optimierungen der KPT und der Modellierungen möglich sind. Zukünftig ist dabei eine stärkere Kooperation zwischen Bodenphysik, Elektrotechnik und Maschinenbau gefordert.

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Forschungsberichte

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Hartmut Schröder
Ermittlung des Einflusses der alkalischen Hydrolyse auf die Langzeitbeständigkeit von hochfesten Polyester(PET)-Garnen für Geotextilien. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2874
1999, 130 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Geotextilien werden verstärkt zur Bewehrung von Böden bei Straßen, Bahndämmen und steilen Böschungen eingesetzt. Geotextilien auf Basis von Polyester-(PET)-Fasern werden für diese Zwecke vielfach verwendet. Im Vergleich zu den Geotextilien aus Polyolefinen wie Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) sind insbesondere das Kriechverhalten und der Zugmodul sehr günstig. In dieser statischen Bewehrungsfunktion sind jedoch Sicherheitsüberlegungen von großer Bedeutung, da die Lebensdauer der Materialien kompatibel mit der Funktionsdauer der Bauwerke sein muß. Bei Geotextilien auf Basis von Polyestern sind hydrolytische Vorgänge am Polymer selbst maßgeblich. Da Polyestergeotextilien in der Regel aus Multifilament-Garnen bestehen, deren Einzelfilamente Durchmesser im Bereich von 20 mym besitzen, steht für die Wechselwirkung mit dem Bodenwasser eine große Austauschfläche zur Verfügung. Da die alkalische Hydrolyse eine Oberflächenreaktion ist, die bei geeigneten Bedingungen sehr rasch ablaufen kann, ist das Langzeitverhalten der Fasern in alkalischen Böden von besonderem Interesse. Es wurde der Frage nachgegangen, ob alkalisch reagierende Mineralien durch Auslösen der alkalischen Hydrolyse im benetzten Bereich von PET-Fasern die Funktionsdauer von PET-Geotextilien entscheidend bestimmen. Dazu besteht jedoch bei Anwendern, der Bauaufsicht und maßgeblichen Herstellern keine einheitliche Auffassung.

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Rolf Weißmantel, T. Henges, S. Muntean, W. Planck
Untersuchungen zur Sicherheit im Erd- und Grundbau, Kalibrierung der Teilsicherheitsbeiwerte der DIN 1054 Tl.100 unter Beachtung der Kombinationsregeln des Konstruktiven Ingenieurbaus, insbesondere von EC 2 und EC 3. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2843
1998, 544 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In Vorbereitung einheitlicher Normen innerhalb der Europäischen Union wurde in Deutschland u. a. DIN 1054-100 "Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau" als Vornorm veröffentlicht. In diesem Standard wird das Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte unter Zugrundelegung des probabilistischen Sicherheitskonzepts nach Eurocode 1 und Eurocode 7 vorgeschrieben. Gegenüber den herkömmlichen Sicherheitsbetrachtungen ergeben sich Änderungen, deren ganzes Ausmaß schwer überschaubar ist. Zur Beurteilung der Bauwerkssicherheit wurden deshalb Berechnungen nach altem und nach neuem Sicherheitskonzept sowie vergleichende Analysen erforderlich. Dazu liefert der Bericht einen Beitrag. Er enthält Parameterstudien und vergleichende Berechnungen einer Winkelstützmauer, Ortbetonwand, Trägerbohlwand, eines Tunnelrahmens, eines unter Auftrieb stehenden Trogbauwerks sowie der Standsicherheit einer Böschung. Auf eine ausführliche Darstellung sowie der Nachvollziehbarkeit der einzelnen Rechengänge wird in dem Bericht besonderer Wert gelegt. Es sind die Berechnungsgrundlagen angegeben und zu jedem der sechs Anwendungsbeispiele die Rechenresultate übersichtlich ausgewiesen.

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D. König, O. Syllwasschy
Beanspruchung von tiefen Schächten in Deponien. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2722
1995, 110 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Schächte in Deponien sind gleich- und ungleichförmigen Radialspannungen, vertikalen Beanspruchungen durch negative Mantelreibung sowie Schrägstellungen und Krümmungen infolge Verformungen im Abfall ausgesetzt. Als Folge hiervon treten Schäden an den Schächten bis hin zum totalen Funktionsverlust auf. Ziel war es, Aussagen über die Größe der mechanischen Beanspruchung von Schachtbauwerken in Deponien in Abhängigkeit der grundsätzlichen Eigenschaften der Schachtkonstruktion und der Abfalleigenschaften zu erarbeiten. Es sollen die Grundlagen für ein bisher fehlendes Bemessungsverfahren geschaffen werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Versuche mit der geotechnischen Großzentrifuge der Ruhr-Universität Bochum. Die Anordnung eines Kiesmantels um den Schachtausbau hat zusammen mit einer radialsymmetrischen Belastung einen ungünstigen Einfluß auf die negative Mantelreibung in Zusammenspiel mit einem steifen Ausbau. Die lastverteilende Funktion des Kiesmantels bei asymmetrischen Belastungen wird durch die Versuche bestätigt. Voraussetzung ist hier, daß der Kiesmantel ausreichend dick ist.

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Jochen Müller-Rochholz, Z. Bronstein
Einfluß von Zugbeanspruchungen auf das Hydrolyseverhalten von Polyester -PET-. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2618
1994, 15 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Nach beobachteten Festigkeitsverlusten an Polyester-Geweben (PET) in einer Autobahnböschung wurde das Verhalten von PET in alkalischen Medien untersucht. Es war zu prüfen, ob Synergieeffekte bei chemischer und mechanischer und thermischer Beanspruchung auftreten. Daher wurde ein PET-Garn bei unterschiedlichen Belastungsgraden in gesättigte Ca(OH)2-Lösung oder in destilliertem Wasser (jeweils mit 40 Grad C) für 7, 21 und 90 Tagen eingelagert. Anschließend wurden die Proben zerissen und mikroskopisch untersucht. Keine belastete Probe erreichte in Ca(OH)2 die geplante Versuchsdauer von 90 Tagen; die Proben rissen in Abhängigkeit vom Belastungsgrad. Die mikroskopische Untersuchung zeigte tiefe, senkrecht zur Kraftrichtung verlaufende Kerben bei zeitabhängiger Dickenabnahme. Es ist eine Hydrolysereaktion mit gleichzeitiger Oberflächenneubildung durch Rißwachstum an Kerben als Ursache für den Effekt zu vermuten.

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Jianling Ma, U. Smoltczyk
Hangstabilisierung durch Stützscheiben. Ermittlung des erforderlichen Abstandes durch Zentrifugen-Modellversuche. Abschlußbericht
Bau- und Wohnforschung
1991, 74 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Wenn die Tragfähigkeit und Standsicherheit einer Böschung erhöht oder ein rutschaktiver Hang stabilisiert werden soll, kann dies mit im Böschungskörper eingesetzten Stützscheiben, die z.B. aus Einkornbeton oder vermörteltem Lockergestein bestehen, erreicht werden. Dabei ist bisher die Frage offen, wie die Stabilisierung bei der Planung der Maßnahme durch einen rechnerischen Nachweis konkretisiert werden kann. Daher ging man relativ unsystematisch von Erfahrungswerten aus. Von besonderem Interesse ist dabei der Abstand der Stützscheiben, der bei gegebener Böschungshöhe notwendig ist, um die Böschungsbruchsicherheit auf das gewünschte Niveau zu bringen. Zur Klärung dieser Frage wurden 1989/90 vom Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart an der Großzentrifuge der Universität Bochum 10 Modellversuche mit wechselnder Geometrie ausgeführt. Diese Versuche hatten zum Ziel, eine experimentelle Grundlage für die Bemessung der Stützscheiben in der Erdbaupraxis zu schaffen. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

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Schneider, Petra; Schwerdt, Sven; Mirschel, Dominik; Wilke, Max; Hildebrandt, Tobias
Einsatz von Ersatzbaustoffen in Kunststoff-Bewehrte-Erde-Konstruktionen für Urbane Grüne Infrastruktur
Wasser und Abfall, 2022

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Schmid, Wolfgang
Sonden sondieren. Betrieb von Erdwärmesonden
Gebäude-Energieberater GEB, 2022

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Hettler, Achim; Becker, Patrick; Borchert, Kurt?Michael; Kempfert, Hans?Georg; Kinzler, Steffen
Bericht des Arbeitskreises Baugruben: Hinweise zur 6. Auflage der EAB
Bautechnik, 2020

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Dechau, Wilfried
Kunstvoll perforiert. Fußgängerbrücke in Ditzingen (kostenlos)
db Deutsche Bauzeitung, 2019

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Bräcker, Wolfgang
Qualitätsstandards für Deponieabdichtungssysteme
Wasser und Abfall, 2019

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