Kaiserslautern - Fachbereich ARUBI
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Zur Untersuchung des Abflussverhaltens gängiger Befestigungsarten wurden mit Hilfe des Modells KOSMO Niederschlag-Abfluss-Simulationen durchgeführt. Betrachtet wurden hier-bei sowohl Einheitsflächen als auch ganze Einzugsgebiete verschiedener städtebaulicher Struktur. Die Berechnungen erfolgten unter Vorgabe empfohlener Verlustparameter zur Benetzung und zur Muldenauffüllung sowie angepasster Parameterwerte zur Beschreibung der Versickerung. Die Abflusssimulationen wurden für ein weitreichendes Spektrum bemessungsrelevanter Niederschlagsbelastungen vollzogen. Es wurden Einzelregen konstanter und variabler Intensität unterschiedlicher Regendauer sowie eine neunmonatige Nieder-schlagsreihe simuliert. Aus der Bilanzierung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses wurden die verschiedenen Abflussbeiwerte der unterschiedlichen Flächenarten ermittelt. Die Modellsimulationen haben gezeigt, dass eine signifikante Abhängigkeit der rechneri-schen Abflussbeiwerte von der zugrunde gelegten Niederschlagsbelastung besteht, die mit zunehmender Versickerungsfähigkeit der Flächen ansteigt. Während die weitestgehend undurchlässigen Flächentypen recht konstante Werte aufweisen, sind die Abflussbeiwerte der durchlässig befestigten Flächen großen niederschlagsbedingten Schwankungen von bis zu 0,5 unterlegen. Hierbei spielen sowohl die Regenintensität als auch die Regendauer und der zeitliche Verlauf des Regens eine Rolle. Die Berechnungsergebnisse für den mittleren Abflussbeiwert, den Endabflussbeiwert sowie den Spitzenabflussbeiwert zeigten für die Simulation von Einzelereignissen unter Berück-sichtigung der belastungsbezogenen Abhängigkeit eine gute Übereinstimmung mit den Richtwerten. Den Berechnungen des mittleren Abflussbeiwertes und des Endabflussbeiwertes wurden hierbei wesentlich geringere Parameterwerte zur Versickerung zugrunde gelegt als für den Spitzenabflussbeiwert, für den die Richtwerte nur mit deutlich höher angesetzten Infiltrationsleistungen bestätigt werden konnten. Diese Versickerungsleistungen liegen zwar noch deutlich unter den von Borgwardt und Muth in neueren Untersuchungen festgestellten Werten und sind somit wissenschaftlich begründet. Dennoch erscheint es fraglich, ob das Versickerungsvermögen durchlässig befestigter Flächen tatsächlich derart hoch ist. Diese Frage kann jedoch anhand der vorliegenden Untersuchung nicht geklärt werden. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Langzeitsimulation von Niederschlagsreihen mit den an Einzelereignisse angepassten Modellparametern sehr geringe Ergebniswerte für den mittleren Abflussbeiwert und teilweise auch für den Endabflussbeiwert der durchlässigen Flächenbefestigungen liefert. Hier stellt sich die Frage, ob der Abflussbeitrag von diesen Flächen im Jahresmittel tatsächlich derart gering ausfällt. Dies wäre aufgrund der Abhängigkeit der Abflussbeiwerte von der Regenbelastung durchaus plausibel, da ein Großteil der jährlichen Niederschlagsereignisse nur geringe Intensitäten aufweist. Der Ansatz geringerer Parameterwerte zur Versickerung erscheint im Hinblick auf die in der Literatur genannten Untersuchungsergebnisse nicht sinnvoll. Darüber hinaus trat hinsichtlich der Endabflussbeiwerte die Problematik auf, dass sich aus der Definitionsgleichung für stark durchlässige Flächenbefestigungen unzutreffenden Werte ergeben. Die Langzeitsimulation von Einzugsgebieten mit einem hohen Anteil versickerungsintensiver Flächen muss daher als problematisch beurteilt werden. Betrachtungen zur Genauigkeit der durchgeführten Untersuchungen (hier nicht aufgeführt) haben gezeigt, dass zahlreiche gebiets- und modellspezifische Faktoren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse haben. Die rechnerischen Abflussbeiwerte weisen insbesondere hinsichtlich der Parameterwerte im Versickerungsansatz nach Horton eine starke Sensitivität auf, die bei der Anwendung von Abflussmodellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses berücksichtigt werden muss. Aufgrund der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Modellberechnungen kann die Kompatibilität von Berechnungen des Oberflächenabflusses durch Abflusssimulation mit den empfohlenen Standardwerten der einschlägigen Literatur grundsätzlich festgestellt werden. Durch die Anwendung gängiger Modellansätze zur Beschreibung der Abflussbildung unter Ansatz angepasster Parameterwerte können insbesondere bei der Simulation von Einzelereignissen weitgehend übereinstimmende Ergebnisse erzielt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Simulationsergebnisse entscheidend von der angesetzten Niederschlagsbelastung bestimmt werden, so dass die Anwendung von Berechnungsmodellen nur bezogen auf bestimmte Niederschlagsbelastungen erfolgen kann. Darüber hinaus empfiehlt es sich dringendst, das eingesetzte Modell vorab unter Berück-sichtigung der gebietsspezifischen Gegebenheiten bezüglich der angesetzten Parameterwerte zu eichen. Die Anwendung von Abfluss- und Schmutzfrachtmodellen setzt daher stets voraus, dass die abflussrelevanten Randbedingungen sorgfältig erfasst und bei der Abflusssimulation ausreichend berücksichtigt werden. Die Anwendung von Abflussmo-dellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses ist insbesondere im Hinblick auf eine differenzierte Betrachtung der Teilflächen und der Berücksichtigung des Versickerungsbei-trages durchlässiger Befestigungsarten sinnvoll, während diesbezüglich die Angaben des ATV-Arbeitsblattes A 118 nicht ausreichend sind. Des Weiteren machten die Untersuchungen deutlich, dass der derzeitige Kenntnisstand bezüglich des Infiltrationsvermögens durchlässig befestigter Flächen nicht ausreicht. Die vorzugebenden Modellparameter zur Versickerung sind bislang noch mit größeren Unsicherheiten behaftet, die sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse niederschlagen. Hier werden langfristige und großflächig angelegte Freilandmessungen empfohlen, die zur Erarbeitung von Versickerungswerten als Eingangsgrößen in die Abflussberechnungen und zur Festlegung von Abflussbeiwerten dienen können.
Weinbaukläranlagen werden während der Weinlese und -bereitung mit hohen organischen BSB5-Frachten zusätzlich zu den kommunalen Schmutzfrachten belastet. Die saisonal stark schwankende Belastung und unterschiedliche Abwasserzusammensetzung führte in der Vergangenheit zu Unsicherheiten bei der Bemessung, die entweder in zu großen Sicherheitsreserven mündeten oder sich durch ungenügende Reinigungsleistung und Betriebsstabilität offenbarten. Während für Weinbaukläranlagen mit dem Reinigungsziel "Kohlenstoffelimination" umfangreiche Untersuchungen vorliegen, besteht für Anlagen mit gezielter Stickstoffelimination ein erhebliches Wissensdefizit. Diese unbefriedigende Situation gab Anlaß zu eigenen Versuchen mit der Zielsetzung, Aufschluss über die Auswirkungen der saisonal hohen BSB5- Belastung auf die Stabilität der Nitrifikation und somit auf die Bemessung der Belebungsbecken zu erhalten. Eine Umfrage bei Betreibern von Weinbaukläranlagen bestätigte, dass für eine wirklichkeitsnahe Bemessung und wirtschaftliche Betriebsführung große Wissenslücken bestehen. Zudem erfordern die Belastungsschwankungen sehr flexible Betriebsführungs- und Regelstrategien, die oft bei der Planung nicht ausreichend bedacht wurden. Die allgemein anerkannten stationären Bemessungsansätze wie das ATV-Arbeitsblatt A 131 können für den Nachweis einer stabilen Nitrifikation nicht herangezogen werden, da aufgrund der erforderlichen Anpassungen der Biozönose an die veränderte Belastungsverhältnisse kein stationärer Zustand herrscht, der die Voraussetzung für die Gültigkeit der Ansätze ist. Während der Kampagne wird deutlich mehr Überschussschlamm produziert und abgezogen, was zur Folge hat, dass mehr Nitrifikanten aus der Belebung entfernt werden als nachwachsen können. Zur Optimierung der Bemessung bietet sich daher die dynamische Simulation an, welche die Nachbildung jeglicher instationärer Belastungsverhältnisse erlaubt. Es konnte gezeigt werden, dass das Activated Sludge Model No. 1 bei der Simulation von zwei Weinbaukläranlagen eine hinreichend gute Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den realen Messwerten liefert. Die Kalibrierung der Modelle muss in mehreren Stufen erfolgen. Eine dynamische Kalibrierung anhand der Stickstoffablaufkonzentrationen ist bei hoher CSB-Belastung nicht sinnvoll, da die Dynamik der Stickstoffkonzentrationsschwankungen im Ablauf im Wesentlichen durch den CSB-Abbau bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Vorgehensweise entwickelt, die es ermöglicht auch in der Planungsphase die Modelle so zu kalibrieren, dass aussagekräftige Ergebnisse für die Bemessung und Betriebsführung erhalten werden. Anhand eines Beispiels wurde gezeigt, wie die stationären Bemessungsansätze zu einer fehlerhaften Auslegung des Belebungsbeckens führen können. Mit Hilfe der dynamischen Simulation konnten das Bemessungsergebnis kontrolliert und Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich ihres Nutzens bewertet sowie verschiedene Betriebsführungs- und Regelstrategien optimiert werden. Speziell angepasste Bemessungsempfehlungen lassen sich aus diesen Untersuchungen jedoch nicht ableiten, da die Auswirkungen der Kampagnebelastung auf die Prozessstabilität der Nitrifikation erheblich von der kommunalen Belastung und vom Verfahrenskonzept abhängig sind. So zeigen Anlagen, die für höhere Schlammalter bemessen sind wie z.B. simultane aerobe Stabilisierungsanlagen, eine deutlich höhere Prozessstabilität als Anlagen mit niedrigeren Schlammaltern. Die dynamische Simulation ist ein sehr hilfreiches Werkzeug, Kläranlagen wirtschaftlich zu bemessen. Es ist zu wünschen, dass die dynamische Simulation in naher Zukunft als "Standardwerkzeug" vom planenden Ingenieur eingesetzt wird.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein vereinfachtes Rechenmodell zur Berechnung von Verbundträgern, mit der Berücksichtigung des Verbundanschlusses mit einer bilinearen Anschlußfeder hergeleitet. Die Entwicklung des Rechenmodells basiert dabei auf der Auswertung von Versuchen, die im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau an der Universität Kaiserlautern durchgeführt worden sind. Besonders das beobachtete Trag-und Verformungsverhalten der Großversuche lieferte einen sehr wichtigen Beitrag zur Entwicklung des Modells. Es wurde Wert auf die Entwicklung eines einfachen Verfahrens gelegt, das trotzdem einen guten Kompromiß zwischen den Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und die Sicherheit findet. Zur Bestimmung der verschiedenen, im Modell benötigten Rechengrößen, wurden insgesamt 56 Versuche mit Verbundanschlüssen ausgewertet. Die benötigten Rechengrößen sind folgende: Das vom Anschluß erreichbare, maximale Moment Die Auswertung der Versuche hat gezeigt, daß das rechnerische plastische Moment nicht von allen Anschlüssen erreicht wurde. Diesen Anschlüssen war gemeinsam, daß sie mit Matten bewehrt waren (oder mit Stabstahl d8mm), oder es wurde der Stützensteg für das Versagen des Anschlusses maßgebend. Auch die gelenkigen Fahnenblechanschlüsse (mit einem Spalt zwischen dem Trägeruntergurt und der Stütze) erreichten nicht immer das plastische Moment. Für diese Anschlüsse muß die Biegetragfähigkeit elastisch berechnet werden. Ausdrücklich zu betonen ist, daß die Bezeichnung plastischer Anschluß im Zusammenhang mit dem Rechenmodell nur etwas über die Größe des erreichbaren, rechnerischen Anschlußmomentes aussagt. Ein plastisch berechneter Anschluß kann sich, im Bezug auf die Duktilität, trotzdem spröde verhalten. Die Duktilität des Anschlusses wird gesondert ermittelt. Die Steifigkeit des Anschlusses Die im vereinfachten Rechenmodell zu ermittelnde Steifigkeit des Verbundanschlusses wird auf die Steifigkeit des angeschlossenen Trägers (im Zustand II) bezogen. Desweiteren hängt diese noch von der Geometrie des Anschlusses selbst ab. Die Zahlenwerte für die bezogenen Steifigkeiten der verschiedenen Anschlußtypen wurden mit Hilfe von 56 ausgewerteten Verbundanschluß-Versuche und mit Hilfe von wirklichkeitsnahen, physikalisch nichtlinearen Berechnungen kalibriert. Die rechnerische Grenzverdrehung des Anschlusses Für die Ermittlung der rechnerischen Grenzverdrehung wird, auf der sicheren Seite liegend, der Drehpunkt des Anschlusses in Höhe des Träger-Untergurtes festgelegt. Dann wird die rechnerische Grenzdehnung des Betongurtes berechnet und die Grenzverdrehung aus den Geometriewerten des Anschlusses und der Grenzdehnung des Betongurtes ermittelt. Die Kalibrierung des Verfahrens und die Justierung der Korrekturfaktoren wurden mit Hilfe der vorliegenden 56 Verbundversuche durchgeführt. Das reduzierte, plastische Feldmoment und die rechnerische Grenzverdrehung des Anschlusses Um noch eine zusätzliche Sicherheit gegen das Überschreiten der Maximallast des Trägers im Rechenmodell zu berücksichtigen, wird das größte Feldmoment auf das reduzierte, plastische Feldmoment begrenzt. Die Einführung dieser Reduzierung begründet sich in den nichtlinearen Berechnungen und insbesondere in der Auswertung der Großversuche. Um die letzten 10 % der Biegetragfähigkeit im Feld zu aktivieren, benötigt der Träger besonders große Verformungen. Dies bedeutet, daß die Duktilität des Verbundanschlusses dann benötigt wird, wenn der Verbundträger die 90%-Grenze seiner Biegebeanspruchbarkeit im Feld überschreitet. Im Rechenmodell wird diesem Verhalten dadurch Rechnung getragen, daß die Biegetragfähigkeit im Feld auf 90% des plastischen Feldmomentes begrenzt wird. Die restlichen 10% der Biegetragfähigkeit werden nur anteilmäßig in Abhängigkeit von der Größe der rechnerischen Grenzverdrehung des Verbundanschlusses dazu addiert. Die Rechenergebnisse des Modells wurden mit wirklichkeitsnahen, physikalisch nichtlinearen Gegenrechnungen überprüft. Die nichtlinearen Berechnungen wurden ihrerseits an den Großversuchen, die im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau der Universität Kaiserslautern durchgeführt wurden, kalibriert. Für das Rechenmodell wurden getestet: Anschlüsse mit großer Steifigkeit, Anschlüsse mit geringer Steifigkeit, Anschlüsse mit sehr geringer Verdrehungsfähigkeit, Anschlüsse mit großer Verdrehungsfähigkeit, desweiteren die Grenzwerte nach [2.24] für die Einordnung eines Anschlusses in die Kategorie gelenkig , die Grenzwerte nach [2.24] für die Einordnung eines Anschlusses in die Kategorie starr , die Auswirkungen von Überfestigkeiten in den Anschlüssen, die Auswirkungen von veränderten Annahmen für die Festigkeiten beim gleichen System und beim gleichen Anschluß. Die Teilsicherheitsbeiwerte gegen ein Systemversagen bei den Berechnungen mit den Bemessungswerten (Berechnungs-Nr.: 12 und 22) liegen zwischen 1,18 und 1,59. Es wurden auch Vergleichsrechnungen mit hohen Werkstoffestigkeiten durchgeführt (Berechnungs-Nr.: 11 und 21), bei denen die angesetzten Bemessungswerte die wirklichen Festigkeiten z.T. sogar übersteigen. Hier liegen die Sicherheiten zwischen 1,01 und 1,49. Diese Werte stellen einen guten Kompromiß zwischen sicher und wirtschaftlich dar. Der Abstand zwischen den mit dem Rechenmodell ermittelten Verformungen und den nichtlinear ermittelten Verformungen wird i.a. erst kurz vor dem Erreichen der rechnerischen Grenzlast groß. Auf dem Gebrauchslastniveau werden die Verformungen vom vereinfachten Rechenmodell gut angenähert. Die Grenzen für die Einordnung der Anschlüsse in die Kategorien starr , verformbar und gelenkig , die in [2.24] angegeben sind, können durch die hier durchgeführten, vergleichenden Berechnungen bestätigt werden. Die Vergleichrechnungen zeigen, daß ein Anschluß im Zweifelsfall besser etwas steifer angenommen werden sollte. Dadurch wird er rechnerisch stärker beansprucht, und die Anschlußkonstruktion liegt auf der sicheren Seite. Die Auswirkungen auf das Feld sind gering. Auch verhält sich der Feldquerschnitt im allgemeinen gegenüber Abweichungen in den rechnerischen Annahmen gutmütiger . Durch die konzentrierte Verdrehung im Bereich des Verbundanschlusses und durch die Kerbe, die das Stützenprofil für den Betongurt darstellt werden direkt am Stützenprofil Risse im Betongurt hervorgerufen. Die erforderliche Betongurtdehnung aus der Anschlußverdrehung findet hier konzentriert in 2, bis maximal 3 Rissen statt. Dieses Rißgeschehen läßt sich bei großen Anschlußverdrehungen und mit einer normalen Bewehrung nur sehr schwer beherrschen, siehe Bild 4.13. Versuche mit unterschiedlichen Arten von Bewehrungen und Bewehrungsführungen sollten durchgeführt werden (z.B. stahlfaserbewehrter Beton im Anschlußbereich, Zulage von Stäben mit hochfestem Stahl, Zulage von Glasfiebermatten). Das Ziel muß es dabei sein, die Rißbreiten im Gebrauchszustand unter Kontrolle zu halten. Zu beachten ist dabei, daß der Gebrauchszustand des Anschlusses vom ganzen System -Träger mit Verbundanschluß - vorgegeben wird. Die Möglichkeit, die Bewehrung wirtschaftlich herstellen und einbringen zu können, sollte ein weiterer Gesichtspunkt bei der Planung der Versuche sein.