Der vorliegende Artikel befasst sich mit der hydraulischen Bemessung und dem Leistungsnachweis von Abwasserleitungen und -kanälen, wobei ein besonderer Fokus auf die Auswahl geeigneter Rohrwerkstoffe und deren Einfluss auf die Strömungsverluste gelegt wird. Die Expertise, die im April 2004 vom Ingenieurbüro Prof. Dr. Ing. Stein & Partner für die Fachvereinigung Betonrohre und Stahlbetonrohre (FBS e.V.) erstellt wurde, bildet die Grundlage für diese Ausarbeitung. Sie ist Teil eines umfassenderen Projekts, das im “Leitfaden zur Auswahl von Rohrwerkstoffen” des FBS e.V. zusammengefasst ist. Beton- und Stahlbetonrohre in FBS-Qualität zeichnen sich durch eine geringe Wandrauheit aus, was die Anwendung vereinfachter Bemessungskonzepte gemäß ATV-DVWK-A 110 ermöglicht. Die Vielfalt der verfügbaren Querschnittsformen, wie Eiprofile oder Trockenwetterrinnen, erlaubt eine flexible Anpassung an spezifische Abflussbedingungen und trägt zur Vermeidung von Ablagerungen bei.
Grundlagen der hydraulischen Bemessung
Seit 1988 bildet das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 110 die Richtlinie für die hydraulische Dimensionierung und den Leistungsnachweis von Abwasserleitungen und -kanälen, welches zuletzt 2001 überarbeitet wurde. Ergänzt wird dies durch das Arbeitsblatt ATV-A 112 für Sonderbauwerke. Der Fokus dieser Abhandlung liegt auf den strömungsbedingten Verlusten, die sich aus den Eigenschaften der Rohrwerkstoffe ergeben, und nicht auf den Berechnungen zur Dimensionierung selbst. Die Ausführungen gelten ausschließlich für Freigefälle- oder Freispiegelleitungen und sind nicht auf Druckleitungen übertragbar.
Abwasser, sei es Schmutz- oder Regenwasser, ist eine Mischung aus Wasser und verschiedenen Feststoffen. Um Sedimentation in Freispiegelleitungen mit turbulenter Strömung zu verhindern, müssen kritische Grenzwerte für Fließgeschwindigkeit ($v{crit}$) und Wandschubspannung ($tau{crit}$) eingehalten werden. Diese Parameter werden maßgeblich durch den hydraulischen Querschnitt und das Gefälle bestimmt. Das Gefälle, definiert als das Verhältnis von vertikaler zu horizontaler Projektion eines Leitungsabschnitts, wird in der Regel so gewählt, dass obere Haltungen mit geringerem Abfluss stärkere Gefälle aufweisen als untere Haltungen mit stetigerem Abfluss, was eine höhere Schleppspannung zur Folge hat.
Dimensionierung nach dem Pauschalkonzept
Für die hydraulische Dimensionierung neu zu errichtender Kanalisationen empfiehlt das ATV-DVWK-Arbeitsblatt A 110 das Pauschalkonzept. Dieses vereinfachte Verfahren fasst diskontinuierlich auftretende Strömungswiderstände und rohrwerkstoffspezifische Widerstände zu einem pauschalen Rauheitsmaß, der betrieblichen Rauheit ($k_b$), zusammen. Zu den diskontinuierlichen Widerständen zählen lokale Strömungsverluste innerhalb einer Haltung. Als rohrwerkstoffspezifischer Widerstand wird die natürliche Wandrauheit ($k$) betrachtet.
Tabelle 1 liefert Pauschalwerte für die betriebliche Rauheit in Abhängigkeit von der Kanalart und Schachtausbildung. Bei Anwendung des Pauschalkonzepts können für genormte Rohre die $k_b$-Werte aus Tabelle 1 ohne weiteren Nachweis verwendet werden. Die hydraulisch wirksame natürliche Wandrauheit ($k$) für genormte Rohre wird pauschal mit 0,1 mm angesetzt, um auch Bereiche mit Teilfüllung abzudecken, bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,8 m/s. Für nicht genormte Rohre sowie für Mauerwerks- und Ortbetonkanäle ohne besonderen Nachweis der effektiven Wandrauheit wird ein $k_b$-Wert von 1,5 mm angesetzt.
Das Pauschalkonzept berücksichtigt üblicherweise folgende Einflüsse:
- Wandrauheit ($k$) des Rohrwerkstoffes
- Lageungenauigkeiten und -änderungen
- Ausbildung der Rohrverbindungen
- Zulauf-Formstücke
- Schachtbauwerke (bis zu einer Füllhöhe von $h/d < 1,0$)
Folgende Einflüsse sind nicht im Pauschalkonzept enthalten:
- Nennweiten-Unterschreitungen
- Auswirkungen von Einstau und Überstau
- Vereinigungsbauwerke
- Ein- und Auslaufbauwerke von Drosselstrecken, Druckrohrleitungen und Düker
Voraussetzungen und Einschränkungen bei der Anwendung des Pauschalkonzepts sind in ATV DVWK-A 110, Abschnitt 4.3 detailliert beschrieben.
Leistungsnachweis nach dem Individualkonzept
Für den Leistungsnachweis bestehender Entwässerungssysteme kommt das Individualkonzept gemäß ATV-DVWK-A 110 zur Anwendung. Hierbei werden alle Einzelverluste, einschließlich derer infolge der natürlichen Wandrauheit ($k$) der Kanäle, haltungsweise detailliert berücksichtigt. Die Berechnung der Verlusthöhe aufgrund von Reibung erfolgt nach der Prandtl-Colebrook-Gleichung. Die Summe der einzelnen Verluste ergibt den Wert für die betriebliche Rauheit ($k_b$). Neben der Wandrauheit ($k$) sind insbesondere folgende Einzelverluste zu berücksichtigen:
- Lageungenauigkeiten und -änderungen
- Rohrverbindungen
- Zulauf-Formstücke
- Schachtbauwerke in Regelausführung (gerader Durchgang)
- Schachtbauwerke in Sonderausführung (gerader Durchgang)
- Kurvenbauwerke
- Vereinigungsbauwerke
Voraussetzungen und Einschränkungen bei der Anwendung des Individualkonzepts sind in ATV-DVWK-A 110, Abschnitt 4.4 zu finden.
Analyse der Rohrwerkstoffe hinsichtlich der Wandrauheit
Jede Berechnung nach der Prandtl-Colebrook-Gleichung erfordert die Kenntnis der äquivalenten oder natürlichen Rauheit ($k$) der Innenwandung. Dieses Maß für die Unebenheit der Rohrinnenwand kann nur durch Versuche bestimmt werden und hängt vom Werkstoff sowie vom Zustand des Rohres ab (neu/gebraucht, Beschichtungen, Ablagerungen etc.).
Tabelle 2 zeigt exemplarisch die hydraulisch wirksame Rauheit ($k$) verschiedener Rohrwerkstoffe, basierend auf Literaturangaben und Herstellerinformationen. Es ist zu beachten, dass diese Werte Schwankungsbreiten unterliegen und als Richtwerte zu verstehen sind, die teilweise unter optimalen Laborbedingungen ermittelt wurden.
Die Auswirkungen der Wandrauheit auf die hydraulischen Verhältnisse wurden exemplarisch für ein Rohr DN/ID 400 untersucht. Abbildung 3 stellt die Durchflussraten in Abhängigkeit der Wandrauheit ($k$) für verschiedene Sohlgefälle dar. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Wandrauheit die Durchflussrate sinkt, wobei dieser Effekt bei höherem Sohlgefälle ausgeprägter ist. In Bereichen mit geringem Gefälle (z. B. 1 Promille) sind die Auswirkungen der Wandrauheit auf den Durchfluss relativ gering.
Vergleich und Zusammenfassung der Ergebnisse
Ein wesentlicher Bestandteil der Planung von Abwasserleitungen und -kanälen ist die hydraulische Bemessung, die den ablagerungsfreien Betrieb sicherstellen soll. Dies wird durch die Einhaltung von Grenzwerten wie Sohlgefälle, Fließgeschwindigkeit und Wandschubspannung sowie durch die Wahl des Abflussquerschnitts beeinflusst. Insbesondere das Sohlgefälle und die daraus resultierende Fließgeschwindigkeit sind entscheidend für die Vermeidung von Ablagerungen.
Die Berechnung von Abwasserbauwerken erfordert fundierte hydraulische Kenntnisse. Die Bemessung von Freispiegelleitungen erfolgt nach ATV-DVWK-A 110 auf Basis der Prandtl-Colebrook-Gleichung, entweder nach dem Pauschal- oder dem Individualkonzept.
Beim Pauschalkonzept werden diverse Verlustbeiwerte in der betrieblichen Rauheit ($k_b$) zusammengefasst. Dieses Konzept wird vorrangig für die Dimensionierung von Neuanlagen verwendet, da detaillierte Informationen oft noch nicht vorliegen. Bei genormten Abwasserrohren sind die werkstoffabhängigen Wandrauheiten ($k$) mit 0,1 mm im Pauschalwert für die betriebliche Rauheit ($k_b$) enthalten, sodass der Rohrwerkstoff hier keinen direkten Einfluss auf das Ergebnis hat.
Für die Nachrechnung bestehender Anlagen wird meist das Individualkonzept angewendet. Hier müssen die Verluste infolge der Wandrauheit ($k$) und die Einzelverluste haltungsweise nachgewiesen werden, wobei auch Veränderungen im Langzeitbetrieb zu berücksichtigen sind. Der Einfluss der Wandrauheit ($k$) auf die Dimensionierung wird als gering angesehen. Entscheidender für die Größe der betrieblichen Rauheit ($k_b$) sind werkstoffunabhängige Einzelverluste durch Rohrverbindungen, Schächte, Krümmungen etc. Auch die Zusammensetzung des Abwassers und eventuelle Ablagerungen können die hydraulischen Verhältnisse erheblich beeinflussen.
Zahlenangaben zur Wandrauheit ($k$) sind oft nicht in Produktnormen enthalten, weshalb auf Herstellerangaben oder Literatur zurückgegriffen wird. Diese Werte basieren meist auf Laborbedingungen. Angesichts des geringen Einflusses der Wandrauheit auf die hydraulische Leistungsfähigkeit wird in der Praxis oft ein pauschaler, werkstoffunabhängiger Wert (z. B. $k = 0,1$ mm) empfohlen oder ein realitätsnaher Wert basierend auf Inspektionsdaten festgelegt.
FBS-Beton- und Stahlbetonrohre gewährleisten durch ihre Herstellungsweise eine hohe hydraulische Leistungsfähigkeit. FBS-Mitglieder bieten zudem spezielle Profile wie Eiprofile oder Kreis- und Rechteckquerschnitte mit Trockenwetterrinnen sowie Drachenprofile an, die für spezifische hydraulische Situationen und zur Vermeidung von Ablagerungen optimiert sind.