Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse
Gerhard Girmscheid
Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse 4. Auflage
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Gerhard Girmscheid ETH Zürich Institut für Bau- und Infrastrukturmanagement Wolfgang-Pauli-Str. 15 8093 Zürich Schweiz
[email protected]
ISBN 978-3-642-13794-5 Springer Heidelberg Dordrecht London New York ISBN 978-3-7281-3345-8 vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich e-ISBN 978-3-642-13795-2 DOI 10.1007/978-3-642-13795-2 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003, 2004, 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)
Vorwort zur dritten Auflage Der wirtschaftliche, leistungsfähige, hoch mechanisierte Baubetrieb ist durch den optimalen Einsatz der Geräte und Bauhilfsmaterialien in einer Leistungserstellungsprozesskette für die jeweilige baubetriebliche Aufgabenstellung gekennzeichnet. Die Wahl der Geräte wird sowohl durch technische Gegebenheiten wie auch durch wirtschaftliche Gesichtspunkte geprägt. Die wirtschaftlichen Aspekte ergeben sich aus der Marktlage und den strategischen Unternehmenszielen. Daraus resultieren die unternehmensspezifische Art der Gerätebereitstellung, das Service- und Bauhofkonzept sowie die Finanzierung [1]. Die Leistungsermittlung von Einzelgeräten [2], eingebettet in Teil- und Gesamtprozesse, ist die Grundlage für die Auswahl und Anzahl der Leistungsgeräte, um die projektspezifischen Leistungsziele zu erreichen, und dient zudem als unverzichtbare Basis der Termin- und Kostenplanung (Kalkulation) sowie des Controllings. Daher kommt der Leistungsermittlung als Basis einer systematischen, ergebnisorientierten Kalkulation, die in meinem neuen Buch "Risikobasierte Kostenkalkulation und Preisbildung in Bauunternehmen" ausführlich behandelt wird, grösste Bedeutung zu; sie ist somit Grundlage einer ergebnisorientierten, effizienten Baustellenvorbereitung. Dieses ursprünglich aus meinen Vorlesungen an der ETH Zürich entstandene Handbuch liegt nun, angeregt durch die grosse Resonanz auf die ersten beiden Auflagen, in der dritten, vollständig überarbeiteten und teilweise erweiterten Auflage vor. Es soll angehenden Bauingenieurinnen und -ingenieuren in der Arbeitsvorbereitung und Bauausführung sowie Maschineningenieurinnen/-ingenieuren in den Bau-/Werkhöfen als Nachschlagewerk dienen, um Leistungsermittlungen im Baubetrieb vorzunehmen. Dazu wird ein analytisches Grundkonzept zur Leistungsermittlung von Baugeräten sowie der Produktionsketten von parallelen und hintereinander geschalteten Geräten unterschiedlicher Teilprozesse vorgestellt. Gegenüber der zweiten Auflage wurde die Flüssigkeitsförderung in Kapitel 4 um eine Beispielrechnung für die Dimensionierung der Flüssigkeits-FeststoffFörderung ergänzt und das Jetgrouting in Kapitel 6 um die Berechnung der erforderlichen Pumpenleistung erweitert. In der Regel werden in diesem Buch keine "Standardwerte", sondern die elementaren analytischen Zusammenhänge angegeben.
Nichts ist perfekt - der Autor weiss, dass ein solches Handbuch weiterentwickelt werden muss und erwartet gerne konstruktive Kritik. So haben aufmerksame Leser auf Fehler in den beiden früheren Ausgaben hingewiesen, die nun berichtigt wurden. Auch bei dieser dritten Auflage möchte ich meinen Mitarbeitern am Institut für Bauplanung und Baubetrieb der ETH Zürich, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Thorsten Busch, danken, die mit ihrer engagierten Unterstützung dazu beigetragen haben, das Buch in dieser Qualität herzustellen. Zürich, Januar 2004
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Girmscheid
Vorwort zur vierten Auflage Das Handbuch wurde von den Nutzern und vom Autor auf mögliche Unstimmigkeiten überprüft und korrigiert. Hier meinen besonderen Dank an die Nutzer. In dieser Auflage wurden die Transportsysteme LKW, SKW und Dumper sowie die Flüssigkeitsförderung überarbeitet. Die jetzige Fassung dient als umfassende Formelsammlung zur Leistungsermittlung und zur Konfiguration des Bauprozesses des Hoch-, Tief-, Spezialtief-, Tunnel-, Brückenbaus und des Rohrvortriebs. Ich wünsche allen Nutzern viel Erfolg bei der Gestaltung von Produktionsprozessketten und bei deren Leistungsbestimmung. Zürich, März 2010
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Girmscheid
Haftungsausschluss Die Angaben in diesem Buch wurden nach bestem Wissen und Gewissen erstellt, allerdings übernimmt der Autor keine Gewähr für die Aktualität, Korrektheit, Vollständigkeit oder sonstige Qualität der bereitgestellten Informationen. Haftungsansprüche gegen den Autor, die sich auf Schäden materieller oder ideeller Art beziehen, die durch die Nutzung oder Nichtnutzung der in diesem Buch enthaltenen Informationen bzw. durch die Nutzung fehlerhafter und/oder unvollständiger Informationen verursacht wurden, sind grundsätzlich ausgeschlossen, sofern seitens des Autors kein nachweislich vorsätzliches oder grob fahrlässiges Verschulden vorliegt.
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Inhaltsverzeichnis
1 1.1 1.2 1.3 1.4
LEISTUNG IM BAUBETRIEB ........................................................... 1 Leistungsbegriffe ............................................................................... 2 Bestimmung von Leistungswerten..................................................... 8 Leistung von Produktionsketten ...................................................... 10 Allgemeine Leistungsberechnung von Baugeräten ......................... 11
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
BAUSTELLENEINRICHTUNGEN .................................................. 19 Sozialeinrichtungen ......................................................................... 20 Wasserversorgung .......................................................................... 21 Stromversorgung ............................................................................. 27 Druckluftversorgung ........................................................................ 41 Separationsanlagen ........................................................................ 48
3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
ERDBAUGERÄTE .......................................................................... 55 Hydraulikbagger .............................................................................. 56 Radlader .......................................................................................... 62 Laderaupe ....................................................................................... 65 Planiergeräte ................................................................................... 68 Verdichtungsgeräte ......................................................................... 83
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
TRANSPORTGERÄTE ................................................................... 91 LKW; SKW; Dumper ........................................................................ 92 Gleisförderung ............................................................................... 112 Bandförderung ............................................................................... 123 Flüssigkeitsförderung .................................................................... 128 Schneckenförderung ..................................................................... 166
VII
5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
TUNNELBAUGERÄTE ................................................................. 173 Tunnelbohrmaschinen ................................................................... 174 Teilschnittmaschinen ..................................................................... 181 Bohrmaschinen ............................................................................. 186 Bohren und Sprengen einer Ortsbrust........................................... 189 Lüftung ......................................................................................... 192
6 SPEZIALTIEFBAU ........................................................................ 201 6.1 Jetgrouting ..................................................................................... 202 6.2 Rammen ........................................................................................ 211 7 7.1 7.2 7.3
HOCHBAU .................................................................................... 231 Krane ......................................................................................... 232 Betonanlagen ................................................................................ 235 Stahlbetonarbeiten ........................................................................ 240
8
FAKTOREN .................................................................................. 249
9
Literaturverzeichnis .................................................................... 281
10 Abbildungsverzeichnis ............................................................... 287 11 Tabellenverzeichnis .................................................................... 291 12 Stichwortverzeichnis .................................................................. 295
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1 Leistung im Baubetrieb Leistungsbegriffe Bestimmung von Leistungswerten Leistung von Produktionsketten Allgemeine Leistungsberechnung von Baugeräten
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_1, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
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1.1 Leistungsbegriffe Um Bauverfahren zu bewerten und anschliessend Bauzeit und Baukosten festlegen zu können, müssen Leistungswerte für einzelne Baumaschinen sowie ganze Prozessketten bekannt sein. Einheitliche und konsistente Definitionen der für die Leistungsberechnung relevanten Begriffe sind notwendig, um Angaben und Ergebnisse untereinander vergleichbar zu machen. Als Leistung bezeichnet man Arbeit pro Zeiteinheit, wobei unter Arbeit in der Regel eine hergestellte, gelieferte oder beförderte Menge verstanden wird [3].
Leistung
hergestellte Menge Zeiteinheit
Der Begriff Menge [3] Im Baubetrieb häufig verwendete Mengen sind z.B. x Aushub von Bodenmasse in m3 x Herstellen von Wandschalung in m2 x Verlegen von Betonstahl in t oder bei Betrachtung einer vom Bauherrn geforderten Gesamtleistung x Herstellen einer Fertiggarage in Stück x umbauter Raum im Hochbau in m3 Da diese Mengenbegriffe nicht präzise genug sind, müssen sie in der Regel genauer definiert werden. So kann im Erdbau ein m3 bedeuten: x fm3 Material in ungestörter, natürlicher Lagerung x lm3 Material in aufgelockertem Zustand, z.B. auf einer LKW-Mulde x fm3 Material in wieder eingebautem, verdichtetem Zustand Ein m3 Beton kann aufgefasst werden als: x m3 trockenes Gemisch aus Zuschlagstoffen und Zement x m3 unverdichteter Frischbeton x m3 verdichteter, abgebundener Beton Betongüte, Art der Zuschlagstoffe und des Zements, Wassergehalt sowie Verarbeitungsverfahren sind allerdings noch nicht präzisiert. 2
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Neben der Menge ist auch die der Berechnung zugrunde liegende Zeiteinheit des Leistungsbegriffs zu definieren. Einzelne Arbeitsabläufe einer Zeitstudie, wie z.B. das Arbeitsspiel ts eines Ladegeräts, werden in Minuten angegeben. Im Baubetrieb nutzt man als Zeiteinheiten Stunden, Tage und Monate für die summarische Arbeits-, Einsatz- und Vorhaltezeit. Es bereitet allerdings häufig Schwierigkeiten, Anfang und Ende des zu betrachtenden Zeitraums festzulegen und anzugeben. So stellt sich die Frage, ob zwischen Beginn und Ende der gesamte Zeitraum erfasst oder Teile ausgenommen werden sollen (z.B. die Aufbau-, Abbau- und Einsatzzeit oder nur die Betriebszeit des Geräts). Auf Baustellen wird in der Regel ohne Schichtbetrieb, allerdings mit Überstunden gearbeitet. Daher kann man die Arbeitszeit wie folgt ansetzen: 1 Tag = 8 – 10 Arbeitsstunden Im Untertagebau [2] oder bei Instandsetzungsarbeiten von Fernstrassen kommt meistens der Schichtbetrieb zum Einsatz, wobei die Schichtarbeitszeiten oben genannten Arbeitszeiten entsprechen. Zeitbegriffe für Baugeräteeinsatz und -bewertung
Bei der Beurteilung von Baugerätekosten ist zwischen Betriebszeit, Einsatzzeit und Vorhaltezeit zu unterscheiden (Bild 1-1). Man definiert vereinfacht: x Betriebszeit = reine Arbeitszeiten des Geräts einschliesslich der Umsetzzeiten innerhalb des Arbeitsbereichs. x Einsatzzeit = Betriebszeit, Vorbereitungszeiten (z.B. Auslegen von Baggermatratzen) und Einarbeitungszeiten, Umsetzzeiten innerhalb der Baustelle, betrieblich bedingte Wartezeiten und Zeiten für den Abschluss der Arbeiten. x Vorhaltezeit = Einsatzzeit, Zeiten für An- und Abtransport sowie (falls erforderlich) Auf-, Um- und Abbauzeiten, Stillliegezeiten auf der Baustelle, Zeiten für Wartung, Pflege und Reparatur. Die Vorhaltezeit ist damit die Zeitspanne, in der ein Gerät einer Baustelle zur Verfügung steht und anderweitig nicht darüber verfügt werden kann [4].
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Anschaffung
Verschrottung Lebensdauer Nutzungsdauer
Vorhaltezeit I
Vorhaltezeit II
Bauhofzeit
Vorhaltezeit III
Baustelle I
Baustelle II
Bauhof
Baustelle III
An- und Abtransport
Vorbereitung / Einarbeitung
Auf-, Um-, Abbau
Betriebszeit
Einsatzzeit
Umsetzen
Stillliegezeit
Betrieblich bedingte Wartezeit
Wartung / Pflege
Reparatur
Bereitstellung/ Lagerung
Reparatur
Abschluss der Arbeiten
Bild 1-1: Zeitbegriffe für Baugeräteeinsatz und -bewertung nach [4]
Die Geräte- und Energiekosten für Bereitstellungsgeräte (z.B. Krane) berechnen sich nach der Dauer der Vorhaltezeit. Die Gerätekosten für Leistungsgeräte (z.B. Bagger) berechnet man oft nach der Dauer der Einsatz- bzw. Betriebszeit und den Energieverbrauch nach der Betriebszeit. Eine Berechnung der Gerätekosten von Leistungsgeräten über die Vorhaltezeit führt allerdings dazu, dass der Baustelleneinsatz dieser Geräte möglichst kurz gehalten wird, da in diesem Fall auch nicht arbeitende Leistungsgeräte Kosten verursachen. Somit wird die Bauleitung angehalten, die Einsätze von Leistungsgeräten effizient zu gestalten und bei beendetem Einsatz die Geräte zügig anderen Baustellen zur Verfügung zu stellen. Als Mass der Effizienz dient in diesem Fall der Quotient aus Betriebs- und Vorhaltezeit. Die Ermittlung der Arbeitsleistung einer Person oder einer Maschine und der Vergleich mit anderen Leistungen setzen voraus, dass die beeinflussenden Randbedingungen erfasst und genormt sind [3]. Die theoretische Grundleistung Q0 muss aufgrund verschiedener, zum Teil interaktiver Einwirkungen auf die Nutzleistung QN abgemindert werden. Diese Reduktionsfaktoren setzen sich aus folgenden Einflussbereichen [5] zusammen: x den humanen Faktoren (Qualifikation und Motivation der Maschinisten) x den organisatorischen Faktoren (Qualifikation der Bauleitung und Arbeitsvorbereitung zur Gestaltung organisatorischer Abläufe) x den technischen Faktoren (an die Aufgaben angepasstes Gerät sowie technischer Zustand) 4
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x den umweltbedingten Faktoren (Wetter, Temperatur, Bodenzustand etc.) Die humanen, organisatorischen und umweltbedingten Faktoren setzen sich z.B. zusammen aus: x dem Bedienungsfaktor K1 [-]. Dieser reflektiert die humanen Faktoren der Ausbildung und der Qualifikation des Beschäftigten und seine Leistungsmotivation in Abhängigkeit von Lohn, Prämien und persönlichem Einsatz [3]. Tabelle 1-1: Werte für Bedienungsfaktoren K1 [-] [3]
Ausbildung und Qualifikation sehr gut (geübt) durchschnittlich sehr gut (geübt)
Leistungsmotivation
K1
sehr gut (100 %) gut (90 %) ausreichend
1.00 0.80 0.75
Interpretiert man die untere Zeile der Tabelle 1-1, so führt bei einem sehr guten Baggerfahrer ein Absinken der Leistungsmotivation von „sehr gut“ auf „ausreichend“ zu einem Leistungseinbruch von 25 %. Es ist allerdings nicht einfach, einen allgemeingültigen Bezugswert z.B. für einen sehr gut ausgebildeten und qualifizierten sowie sehr hoch motivierten Baggerfahrer festzulegen, weshalb sich die Auswahl der passenden Beiwerte für die menschliche Arbeitsleistung in der Leistungsberechnung als schwierig erweist. x den Betriebsbedingungen K2 [-]. Diese reflektieren die organisatorischen und umweltbedingten Faktoren wie die Einsatzbedingungen (Wetter, Helligkeit, örtliche Gegebenheiten wie z.B. Verschlammung der Arbeitsfläche bei Radladern) sowie die Arbeitsvorbereitung der Arbeitsabläufe. Das Produkt der Faktoren K1 u K2 wird auch als Betriebsbeiwert bezeichnet.
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Neben den Leistungseinflussfaktoren, die durch den Menschen, die Organisation und die Umweltbedingungen beeinflusst werden, müssen noch die technischen Leistungseinflussfaktoren erfasst werden. Diese geben den Einfluss der realen Betriebsbedingungen gegenüber den als ideal definierten Bedingungen zur Ermittlung der Grundleistung Q0 wieder. Die idealen Bedingungen, die der Ermittlung der Grundleistung zugrunde liegen, müssen den Unterlagen der Maschinenhersteller wie z.B. [6], [7] entnommen werden. Die technischen Leistungseinflussfaktoren untergliedern sich in (nach [5] und [8]): x f1 Abbau- bzw. Grabtiefenfaktor: Geometrische Relationen wie Abbauhöhe/Grabentiefe zu Löffelstiellänge. x f2 Schwenkwinkeleinfluss- bzw. Fahrwegfaktor: Verhältnis des idealen zum realen Schwenkwinkel bzw. Fahrweg vom Lade- zum Abladepunkt. x f3 Entleerungsgenauigkeitsfaktor: Entladen des Löffels oder der Schaufel gezielt auf ein Transportfahrzeug oder nur auf Schütthaufen oder eine Kippe. Bei Entleerung auf ein Transportgerät ist das Verhältnis von Löffel-/Schaufelinhalt zum Fassungsvermögen des Transportgeräts zu berücksichtigen. x f4 Schneiden- bzw. Zahnzustandsfaktor: Abnutzungsgrad der Schneid- bzw. Aufladewerkzeuge. x f5 Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor: Einsatzzeit, Instandhaltungszustand des Geräts. Der Geräteausnutzungsgrad KG [-] ergibt sich aus dem Quotienten der effektiven Betriebszeit (= Schichtzeit minus Unterbrechungs-/ Ausfallzeiten) und der Schichtzeit. Man kann diesen Faktor auch als Effektivitätsfaktor bezeichnen; er sagt aus, dass ein Gerät z.B. 50 min/h effektiv arbeitet. Diese Reduktion ergibt sich aus Umsetzzeiten bei einem Bagger während eines kontinuierlichen Aushubvorgangs (z.B. Graben) bzw. Ladevorgangs, um die optimale Geräteposition im Gerätearbeitsbereich für die Arbeit einzunehmen, oder Zigarettenpausen des Maschinenführers etc.
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Tabelle der Leistungseinflussfaktoren, durch die die in den Handbüchern [6], [7] beschriebenen Idealbedingungen abgemindert werden: Tabelle 1-2: Leistungseinflussfaktoren
K1
d 1:
Mensch: Leistungsfaktor des Geräteführers (Ausbildung, Motivation)
K2
d 1:
Organisation und Umwelt: Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Leistung (Wetter, Staub, Helligkeit, Arbeitsvorbereitung, Arbeitsabläufe etc.)
f1…f5
d 1:
Technik: Technische Einflussfaktoren
KG
d 1:
Effektivzeit: Geräteausnutzungsgrad eines Geräts, z.B. bezogen auf die Schichtzeit (Schichtzeit = effektive Betriebszeit sowie Unterbrechungs- und Ausfallzeiten)
Die Faktoren für die wichtigsten Leistungsgeräte können Kapitel 8 entnommen bzw. in Analogie übertragen werden.
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1.2 Bestimmung von Leistungswerten Nachkalkulation
Leistungswerte beruhen auf Erfahrung und werden normalerweise im Rahmen des technischen Controllings dokumentiert. Sie resultieren aus der Nachkalkulation bereits fertig gestellter Bauprojekte und dienen vor allem der Ermittlung der für die Ausführung geräteintensiver Arbeiten benötigten Maschinen- und Lohnstunden. Ihre Kehrwerte ergeben Aufwandswerte, die sich als Quotient aus verbrauchter Arbeitszeit und geleisteter Menge definieren. Die für die Ausführung einer Tätigkeit benötigten Arbeitsstunden werden mit Hilfe dieser Aufwandswerte für Bauwerke mit gleichen Randbedingungen herangezogen. In der Kalkulation bezeichnet man die Aufwandswerte auch häufig als Stundenansätze. Ist-Leistung
geleistete Menge verbraucht e Arbeitszeit
Ist-Aufwandswert
verbrauchte Arbeitszeit geleistete Menge
1 Ist-Leistung
Durchschnittliche Leistungswerte für Bauleistungen sind in Standardbüchern [9], [10], [11], [12] zusammengestellt, werden aber von den Bauunternehmen meist anhand eigener Erfahrungen aufgestellt und auf dem neuesten Stand gehalten. Folgende Punkte sind bei der Ermittlung der Leistungswerte zu berücksichtigen: x Jede Arbeit hat zu Beginn ihrer Ausführung eine Anlaufzeit, auch Lernphase genannt, bei der aufgrund der notwendigen Einarbeitung (Lernkurve) nur eine verminderte Leistung erzielt wird. Zusätzlich schränken in der Auslaufzeit der Ausführung verminderte Arbeitsflächen und Störungen im Bauablauf durch nachfolgende Gewerke die Leistungsfähigkeit ein. Zwischen Anlauf- und Auslaufzeit liegt die Hauptleistungszeit, in der die höchste Leistung erbracht wird. Diese Hauptleistungszeit setzt sich zusammen aus der Betriebszeit, den betrieblich bedingten Wartezeiten und den Umsetzzeiten auf der Baustelle. Für die Arbeitsausführung sind nun zwei Leistungswerte ermittelbar: 8
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Ein mittlerer Leistungswert, bezogen auf die Einsatzzeit, bestehend aus Zeiten für Vorbereitung/Einarbeitung, Betriebszeit, betrieblich bedingte Wartezeiten, Umsetzen innerhalb der Baustelle und Zeiten für den Abschluss der Arbeiten. Ein höherer Leistungswert, ausschliesslich auf die Betriebszeit bezogen. x Auch während der Betriebsszeit verläuft die Leistungskurve nicht gleichmässig, sondern bewegt sich vielmehr in einer mehr oder weniger grossen Bandbreite um den Durchschnittswert. Bei der Ermittlung der Bauzeit und der Baukalkulation ist immer der mittlere auf die Einsatzzeit bezogene Leistungswert zugrunde zu legen. Die Abstimmung und Optimierung der Gerätekonfiguration erfolgt hingegen über den auf die Betriebszeit bezogenen Leistungswert. Zeitmessverfahren
Das Zeitmessverfahren wird einerseits zur Bestimmung von detaillierten Arbeitsabläufen und Leistungswerten sowie andererseits zur kontinuierlichen Verbesserung sich wiederholender Arbeitsabläufe eingesetzt. Diese detaillierten Leistungswerte werden durch direkte Messungen und Beobachtungen während der Bauausführung ermittelt. Zwei Methoden bieten sich hierzu an [3]: x Die Dauer einzelner Arbeitsvorgänge wie auch der Verlustzeiten misst man mit durchlaufender Stoppuhr. x Mit Hilfe der Momentaufnahme (Zählverfahren, Multimomentverfahren) wird z.B. im Minutenabstand festgestellt und notiert, welche Tätigkeit ein einzelner Arbeiter oder die Arbeitsgruppe zu diesem Zeitpunkt gerade ausführt. Die Summe der Vielzahl solcher Beobachtungsstichproben ergibt eine Häufigkeitsstückliste. Diese enthält, bezogen auf die Gesamtbeobachtungsdauer, bestimmte Zeitanteile je Ablaufart [13]. Diese Methoden liefern bei einer genügend langen Beobachtung sowohl die Leistungswerte als auch eine gute Übersicht über schlecht funktionierende Arbeitseinsätze und ungenügende Abstimmung einzelner Produktionsketten (Verlustzeiten). Daher wird dieses Verfahren hauptsächlich zur kontinuierlichen Verbesserung von sich wiederholenden Arbeitsabläufen auf der Baustelle eingesetzt. 9
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1.3 Leistung von Produktionsketten Häufig wird bei der Bauwerkserstellung die Produktionsleistung nicht von einer einzelnen Maschine, sondern von mehreren in einer Produktionskette zusammenarbeitenden Maschinen erbracht. Beispiele hierfür sind das Zusammenspiel x im Betonbau von Betonmischer, Betontransport, Betonpumpen und Betonverteiler; x im Erdbau von Ladegeräten, Lastkraftwagen und Planiergeräten. Die Leistung einer Produktionskette wird immer vom Leitgerät bestimmt. Beim Leitgerät handelt es sich um eine einzelne Maschine oder eine Maschinengruppe, die innerhalb der Produktionskette die kleinste Leistung erbringt. In der Regel sind das Maschinen oder Maschinengruppen, bei denen die Leistung nur sehr aufwendig, z.B. wegen sehr hoher Investitions-, Miet- und Reparaturkosten, oder überhaupt nicht, z.B. wegen räumlichen oder von Arbeitsverfahren bestimmten Begrenzungen, angepasst werden kann. Alle anderen Maschinen der Produktionskette sind dann an die Leistungsfähigkeit des Leitgeräts anzupassen [1]. Erfordert die Durchführung einer Bauaufgabe zwei parallel oder abwechselnd arbeitende Produktionsketten, so müssen diese mit dem Ziel eines möglichst kontinuierlichen Produktionsflusses in Bezug auf minimale Wartezeiten optimiert werden [3]. Auf Linienbaustellen stellt z.B. das Schalen und Betonieren eines Hochhauses mit den Bauwerksteilen Decken sowie Kern und Stützen ein Beispiel zweier parallel laufender Produktionsketten dar. Die nachfolgenden baubetrieblichen Leistungsberechnungen und vor allem die leistungsabmindernden Beiwerte beruhen auf den Untersuchungen der Firmen Liebherr [6] und Caterpillar [7] sowie der Professoren Bauer [8] und Kühn [14].
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1.4 Allgemeine Leistungsberechnung von Baugeräten Kurzzeitleistungen
Unter dieser Leistungskategorie werden die Leistungen in der Hauptphase des Vorgangs auf die Betriebszeit bezogen definiert. Die theoretische Leistung QT [m3/h] ist abhängig von der konstruktiven Gestaltung des Geräts in Bezug auf Maschinenleistung, Technologie, Kinematik, Arbeitsgeschwindigkeit und Lade- und Transportgefässinhalt. Sie besteht unter optimalen technischen Betriebsbedingungen, aber ohne Berücksichtigung materialabhängiger, technischer, bedienungs- und betriebsbedingter Einflüsse sowie der Geräteausnutzung. QT
VSAE u 3600 tS
[m3/h]
Die Grundleistung Q0 [fm3/h] berücksichtigt die materialabhängigen Einflussfaktoren und erfolgt unter optimalen technischen Betriebsbedingungen, aber ohne Berücksichtigung technischer, bedienungs- und betriebsbedingter Einflüsse sowie der Geräteausnutzung. Q0
VSAE u 3600 u k 1 tS
[fm3/h]
Die technische Grundleistung QT0 [fm3/h] berücksichtigt alle materialabhängigen und technischen Einflussfaktoren, ohne bedienungs- und betriebsbedingte Einflüsse sowie die Geräteausnutzung.
Q T0
VSAE u 3600 u k 1 u k 2 tS
[fm3/h]
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Die Nutzleistung QN [fm3/h] (Durchschnittsleistung/Dauerleistung über die Betriebszeit) berücksichtigt alle bekannten materialbedingten und technischen Leistungsfaktoren, insbesondere auch die Bedienungsund Betriebsbedingungen sowie die Geräteausnutzung. QN
VSAE u 3600 u k 1 u k 2 u k 3 u KG tS
k1
DuM
k2
f1 u f2 u f3 u f4 u f5
k3
K1 u K2
VSAE tS D M K1 K2 f1 f2 f3 f4 f5 k1 k2 k3 KG fm3 lm3
[fm3/h] [-] [-] [-]
Nenninhalt Grab-/Transportgefäss gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Abbau-/Grabtiefenfaktor Schwenkwinkel-/Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad Material in ungestörtem bzw. verdichtetem Zustand Material in aufgelockertem Zustand, z.B. auf einer LKW- Mulde
[m3] [s] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Die Kurzzeitleistung bezieht sich auf die Betriebszeit, d.h. auf die reine Arbeitszeit des Geräts. Bei grossen, maschinenintensiven Erdbaustellen, d.h. Baustellen mit kontinuierlichem Geräteeinsatz, entspricht sie weitgehend der durchschnittlichen Leistung des gesamten Arbeitstags QAT [fm3/h]. Bei zyklischen Arbeitsabläufen, bei denen das Gerät nur zeitweise während der Arbeitszeit in Betrieb ist, weicht die Kurzzeitleistung teilweise deutlich von der Durchschnittsleistung des Arbeitstags ab. Im Berechnungskonzept von Kurzzeit-/Nutzleistung QN sind neben den auf die Grundleistungen Q0 bezogenen technischen Reduktionsfaktoren 12
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bereits auch die Bedienungs- und Betriebsbedingungen wie Motivation, Wettereinfluss etc. sowie die Geräteausnutzung während der Betriebszeit enthalten. Berücksichtigt wird ferner, dass eine neue Maschine höhere Leistungen erbringt als eine ältere, bedingt durch Verschleiss, aber auch durch häufigere kleinere Reparaturen an z.B. Hydraulikschläuchen oder Reisszähnen. Ferner ist auch die Geräteausnutzung über einen definierten Zeitraum enthalten, da z.B. ein Baggerführer nicht ununterbrochen eine volle Stunde oder einen ganzen Tag hocheffizient unter Beibehaltung der Konzentration über die ganze Schichtzeit hinweg arbeitet. Bei diesem Geräteausnutzungsgrad ist auch z.B. das Nachrücken eines Baggers während des Aushubs oder Ladevorgangs enthalten. In der Kurzzeit-/Nutzleistung sind die folgenden Reduktionen nicht enthalten: x Vorbereitungszeiten (z.B. Auslegen von Baggermatratzen oder das Umrüsten auf ein anderes Grabgefäss) x Unterbruchszeiten für das Umsetzen an einen neuen Standort auf der gleichen Baustelle x Betrieblich bedingte Unterbrechungen und Wartezeiten x Einarbeitungs- und Abschlusszeit mit meist geringerer Leistung (Bild 1-3), da einerseits in der Lernphase erst der optimale Ablauf in der Prozesskette gefunden werden muss und andererseits in der Abschlussphase oft schon parallele Arbeiten anderer Gewerke beginnen, die Behinderungen verursachen können, oder noch Nacharbeiten durchgeführt werden müssen. Langzeitleistung
Die Langzeitleistung, auch Einsatzleistung QET genannt, bezieht sich auf die Einsatzzeit der Geräte, die sich aus der Dauer der Prozesse ergibt, und baut auf dem Konzept der Kurzzeitleistung auf. Die Kurzzeitleistung wird dazu ergänzt durch Vorbereitungs- und Einarbeitungszeiten, durch unproduktive betrieblich bedingte Wartezeiten, die Dauer des Umsetzens an einen anderen Arbeitsort auf der Baustelle sowie Zeiten für den Abschluss der Arbeiten. Beim Sprengvortrieb im Untertagebau, einem zyklisch ablaufenden Vortriebsverfahren, wird nach dem Sprengen das Haufwerk geladen. Diese Arbeiten beanspruchen nur 3 – 4 Stunden einer Schicht von 8 – 10 Stunden. In der restlichen Zeit werden andere Arbeiten durchgeführt. Das bedeutet, dass die effektive Nutzleistung QN [fm3/h] des Geräts we13
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sentlich von der Durchschnittsleistung QAT [fm3/h] pro Arbeitstag abweichen kann. Das Gleiche gilt auch bei Baugruben, wenn z.B. in einer gewissen Tiefe der Aushub unterbrochen werden muss, um Anker- oder Aussteifungsarbeiten durchzuführen. Leistung bei zyklischen Arbeiten Q [fm3/h] Schutterleistungen
QN
QAT
I 0
I
II 0 8
5 1
Zyklus I: Zyklus II:
[-] Zyklus
II 5
8 [h] Tagesarbeitszeit 2
[T] Tage
Sichern und Sprengen Schuttern (Laden des Vortriebs)
Bild 1-2: Darstellung der Schutterleistung in Abschlagszyklen
Daher müssen die Leistungen einerseits nach Arbeitsabläufen und andererseits nach verschiedenen Zeitabschnitten wie folgt differenziert werden: x Die Wahl der Maschinen erfolgt aufgrund der erforderlichen Nutzleistung QN bzw. Grundleistung Q0. x Die Tagesleistung QAT ist eine Durchschnittsleistung, die meist dann deutlich von QN abweicht, wenn zyklische Arbeiten durchgeführt wer-
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den, oder bei Geräteumsetzungen zu anderen Arbeitsstätten mit zyklischem Charakter. x Die Einsatzleistung QET über die gesamte Einsatzzeit ist meist für kalkulatorische Zwecke erforderlich und beinhaltet neben der Nutzleistung QN bzw. Tagesleistung QAT die Reduktion durch die Vorbereitungszeit, Einarbeitungs- und Abschlussphase sowie betrieblich bedingte Unterbrechungen. Allgemeiner Leistungsverlauf während der Vorhaltezeit Q [fm3/h] QN QAT QET
TTransp TEin
TB
TU
TRep
TB TE
TB
TSchluss
TTransp
TE TV
Bild 1-3: Leistungsverlauf
QN QAT QET TTransp TEin TB TU TRep TSchluss TE TV d
Nutz-/Dauerleistung des Geräts ԑ Leistung bezogen auf die Betriebszeit Tagesdurchschnittsleistung des Geräts ԑ Leistung bezogen auf die Tagesarbeitszeit mittlere Einsatzleistung des Geräts ԑ Leistung bezogen auf die Einsatzzeit Zeit für den Transport Einarbeitungszeit Betriebszeit des Geräts pro Arbeitstag Zeit für betrieblich bedingte Unterbrechungen Zeit für Reparaturen Dauer der Schlussphase Einsatzzeit der Geräte Vorhaltezeit Vorgangsdauer – mögliche Betriebs- bzw. Arbeitstage gemäss Terminplan (Einsatzzeit) 15
[fm3/h] [fm3/h] [fm3/h] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT]
d
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Die effektive Leistung, bezogen auf die Arbeitszeit QAT [fm3/h] bzw. die Einsatzzeit QET [fm3/h], ergibt sich zu: TB TAT
Arbeitszeit:
QAT
QN u
Einsatzzeit:
QET
QAT u
QAT QET QN TB TAT TET
TAT TET
[fm3/h]
QN u
TB TET
Tagesdurchschnittsleistung des Geräts mittlere Einsatzleistung des Geräts Nutz-/Dauerleistung des Geräts Betriebszeit des Geräts pro Arbeitstag Arbeitsstunden pro Arbeitstag Einsatzstunden pro Arbeitstag
[fm3/h] [fm3/h] [fm3/h] [fm3/h] [h/AT] [h/AT] [h/AT]
Die erforderliche durchschnittliche Leistung, bezogen auf die Einsatzzeit QET-erf. [fm3/h], ergibt sich zu: QET erf . V TAT d
V TAT u d
[fm3/h]
Gesamtaushub (Arbeit) Arbeitsstunden pro Arbeitstag Vorgangsdauer – mögliche Betriebs- bzw. Arbeitstage gemäss Terminplan (Einsatzzeit)
[fm3] [h/AT] [AT]
Anzahl der Lösegeräte n [-]
nt
QET erf . QET
QET
QN u
QET TB TET
[-] TB TET
[fm3/h]
mittlere Einsatzleistung eines Geräts Betriebszeit des Geräts pro Arbeitstag Einsatzstunden pro Arbeitstag 16
[fm3/h] [h/AT] [h/AT]
m3/h
m
Die Leistung QAT in der Arbeitszeit TAT entspricht weitgehend der Nutz-/Dauerleistung QN, wenn keine zusätzlichen Zeitaufwendungen notwendig werden, die über die in den Gerätezustandsfaktoren, z.B. für tägliche Routinewartung, sowie im Geräteausnutzungsfaktor für kleinere Umsetzungsarbeiten und Erholungspausen schon enthaltenen Zeitaufwendungen hinausgehen. Die Arbeitszeit TAT [h/AT] ergibt sich aus: T AT
¦ Ti i
TB ¦ T j
[h/AT]
j
Die Arbeitszeit pro Tag TAT setzt sich zusammen aus: x der Betriebszeit des Geräts TB x den möglichen gewollten und ungewollten Unterbrechungen
¦ Tj , j
z.B. durch Umsetzen der Maschinen, Unterbruch in der Versorgung, kleine Wartungsarbeiten, zyklische Arbeiten Die Arbeitszeit TAT entspricht normalerweise der Regelarbeitszeit auf der Baustelle.
Man kann davon ausgehen, dass die Nutzleistung über Stunden und Tage bei gleicher Arbeit aufrechterhalten werden kann. Muss jedoch das Gerät umgesetzt oder müssen z.B. in einer Baugrube zuerst die Anker gesetzt werden, bevor mit dem Aushub fortgefahren werden kann, dann entspricht die Nettoarbeitszeit des Geräts oder der Prozesskette nicht der Arbeitszeit, der Einsatzzeit und vor allem nicht der Vorhaltezeit. Unter der Einsatzzeit TET werden alle Zeiten zusammengefasst, an denen das Gerät in Betrieb ist. Dazu gehören: x x x x x x
Vorbereitungszeiten Einarbeitungszeit Betriebszeit Umsetzen auf der Baustelle Baubetrieblich bedingte Wartezeit Schlussphase
In dieser Zeit ist das Gerät ohne Unterbrechung durch Wartungen, Reparaturen oder Stillstandstage in Betrieb. 17
m3/h
m
Damit ergibt sich die Einsatzzeit TET zu:
TVor TEin TB TU TUm TSchluss
TET TVor TEin TB TU TUm TSchluss
Vorbereitungszeiten Einarbeitungszeit Betriebszeit Zeit für betrieblich bedingte Unterbrechungen Umsetzzeiten auf der Baustelle Dauer der Schlussphase
[h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT]
Die Vorhaltezeit TVT umfasst die Einsatzzeit und das Einrichten sowie die Auf-, Um- und Abbau der Geräte mit den dazugehörigen Transportzeiten, die Stillliegezeit auf der Baustelle und die Zeiten für Wartung/Pflege und Reparatur. Damit ergibt sich die Vorhaltezeit TVT zu: TET TTransp TAufbau TRe p TWartung
TVT
TStill TUmbau TAbbau
TTransp TAufbau TRep TWartung TStill TUmbau TAbbau
Zeiten für An- und Abtransport Zeiten für den Aufbau Reparaturzeiten Wartungs- und Pflegezeiten Stillliegezeiten Umbauzeiten Abbauzeiten
[h]; [AT]
[h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT] [h]; [AT]
Es ist daher sehr wichtig, dass bei Leistungsangaben der Bezugszeitrahmen genau angegeben wird.
18
2 Baustelleneinrichtungen Sozialeinrichtungen Wasserversorgung Stromversorgung Druckluftversorgung Separationsanlagen
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_2, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
2.1 Sozialeinrichtungen [15], [16] Die hier angegebenen Werte dienen nur zur Vordimensionierung der Sozialeinrichtungen. In jedem Land müssen die speziellen Vorschriften der Arbeitsstättenverordnung beachtet werden. Tabelle 2-1: Richtwerte der Sozialeinrichtungen
Nr. Sozialräume 1 2 3
Tagesunterkünfte Schlaf-/Wohnunterkunft Kantine (mit Küche und Magazin)
4
WC
5
Waschraum
7
Duschen bei mehr als 10 Arbeitern und Baustellendauer > 2 Wochen Mindestraumhöhen
8
Fensterfläche
6
m2/ m3/ Andere Arbeiter Arbeiter 1 !6
! 10
2.5 1/Baustelle bzw. 1/(15 Arbeiter) 1 Waschraumplatz/ Baustelle bzw. 1 Waschraumplatz/ (5 Arbeiter) 1 Dusche/ (20 Arbeiter) 2.3 m 1/10 der Grundfläche
Zudem sind spezifische Anforderungen hinsichtlich Tischen, Stühlen, Schränken und anderer Einrichtungsgegenstände zu beachten.
20
2.2 Wasserversorgung [17] Begriffsbestimmung und Berechnungsvorgang x Wasserbedarfsermittlung: Die Wasserbedarfsermittlung ist notwendig zur Dimensionierung der Versorgungsquelle, der Versorgungsleitungen und eventueller Zusatzeinrichtungen wie Pumpanlagen. Ermittlung anhand von Richtwerten (Tabelle 2-2): a) Arbeitnehmer Trink- und Brauchwasserbedarf der Arbeitnehmer (AN) am Arbeitstag (AT) [l/AN und AT] Anzahl AN u Richtwert [m3/AN und AT]
= ......... [m3/AT]
b) Aufbereitungsanlagen Beton- und [m3/m3]
Mörtelanmachwasserbedarf
Leistung Anlage [m3/AT] u Richtwert [m3/m3]
= ......... [m3/AT]
c) Sonstige Anlagen Sonstiger Brauchwasserbedarf für Wasch-, Sieb- oder Trennanlagen für Zuschlagstoffe [m3/m3] Leistung Anlage [m3/AT] u Richtwert [m3/m3]
= ......... [m3/AT]
Zwischensumme 1
= ......... [m3/AT]
21
d) Zuschlag für Betonnachbehandlung usw. Pauschaler Zuschlag auf den ermittelten Wasserbedarf für weiteres Brauchwasser zur Nachbehandlung von Beton, zum Feuchthalten der Schalung, zur Reinigung von Geräten und Fahrzeugen [%] Zuschlag u Zwischensumme 1 [m3/AT] Zwischensumme 2
= ......... [m3/AT] = ......... [m3/AT]
e) Zuschlag für Verluste in prov. Leitungen Pauschaler Zuschlag auf den ermittelten Wasserbedarf für Verluste in provisorischen Leitungen [%] Zuschlag uZwischensumme 2 [m3/AT] Gesamtwasserbedarf Q
= ......... [m3/AT] = ......... [m3/AT]
x Dimensionierung der Rohrleitung Maximaler Wasserbedarf Q [l/s] Wassermenge für allgemeinen Gebrauch Q 1max [l/s] Der maximale Wasserbedarf ( Q1max ) ergibt sich aus dem 1.5fachen des durchschnittlichen täglichen Gesamtbedarfs (s.o.).
Q1max
Q 1.5 u TAT 3.6
[l/s]
Q1max maximaler Wasserbedarf der Baustelle durchschnittl. tägl. Gesamtwasserbedarf Q TAT tägliche Arbeitszeit 22
[l/s] [m3/AT] [h/AT]
2 Wassermenge für Betonmischer Q max [l/s]
Für die Dimensionierung der Leitung zum Betonmischer muss gewährleistet sein, dass eine Wassermenge von einem Fünftel des Nenninhalts des Mischers innerhalb von z.B. 20 Sekunden gleichmässig zugegeben werden kann. [17] 1 u Vmisch 5 't
2 Qmax
[l/s]
maximaler Wasserbedarf zur Betonherstellung Nenninhalt des Mischers 20 Sekunden Zulauf für Betonmischer
2 Qmax
Vmisch 't
[l/s] [l] [s]
Bei grossem Wasserbedarf für den Mischer empfiehlt sich die Anordnung eines Zwischenspeichers.
Maximaler Wasserbedarf Q [l/s] Q
2 max{Q1max ; Qmax }
[l/s]
f) Durchmesser der Rohrleitung d [dm] Der Durchmesser der Rohrleitung d [dm] ergibt sich aus dem maximalen Wasserbedarf Q [l/s]: Q
d2 u S uv 4
d
1
l s
1
dm3 s
4uQ vuS
[l/s]
[dm]
Q
Fördermenge bzw. max. Wasserbedarf
[l/s]
d v
lichter Durchmesser der Rohrleitung Wassergeschwindigkeit in der Rohrleitung, meist 5 bis 8 dm/s
[dm] [dm/s]
23
Richtwerte für den Wasserbedarf Tabelle 2-2: Wasserbedarf [17]
Trinkwasser und Waschen
20
Duschen
– 30
l/(AN und AT)
40
l/(AN und AT)
Trinkwasser, Waschen und Duschen
40
– 70
l/(AN und AT)
Trink- und Brauchwasserbedarf bei Tagesunterkünften
20
– 30
l/(AN und AT)
Trink- und Brauchwasserbedarf bei Wohn- und Schlafunterkünften
50
– 100
l/(AN und AT)
Betonanmachwasser
0.1 –
3 0.2 m3/ mBeton
Mörtelanmachwasser
0.2 –
3 0.25 m3/ mMörtel
Brauchwasser für Kiesaufbereitung
1.0 –
3 3.0 m3/ mKies
Zuschlag für weiteres Brauchwasser
20
– 25
%
Wasserverluste bei provisorischen Leitungen
10
– 20
%
24
Beispiel zur Ermittlung des Gesamtwasserbedarfs einer Bürogebäude-Baustelle x Ausgangsdaten Rohbau: max. Anzahl Arbeitnehmer (AN) Betonarbeit davon in Wohnunterkünften in Tagesunterkünften max. Betonierleistung
= 15 = 5 = 10 = 180
Betonanmachwasser Zuschlag weiteres Brauchwasser Zuschlag für Verluste
= = =
3 0.15 m3/ mBeton 25 % 15 %
Ausbau: Anzahl Arbeitnehmer in Tagesunterkünften
=
50
AN AN AN 3 mBeton /AT
AN
x Wasserbedarf der AN 10 AN u 0.03 m3/(AT und AN) 5 AN u 0.10 m3/(AT und AN)
= =
0.3 m3/AT 0.5 m3/AT
=
1.5 m3/AT
3 3 /AT u 0.15 m3/ mBeton 180 mBeton
=
27.00 m3/AT
Zwischensumme 1
=
29.30 m3/AT
Nachbehandeln des Betons und Gerätereinigung 25 % von 29.30
=
7.33 m3/AT
Zwischensumme 2
=
36.63 m3/AT
=
5.49 m3/AT
=
42.12 m3/AT
Der maximale Bedarf ergibt sich meist, wenn im letzten Geschoss noch die Rohbauarbeiten laufen und in den Untergeschossen schon der Ausbau beginnt. 50 AN u 0.03 m3/AT und AN x Wasserbedarf Betonherstellung
x Sonstiges
Leitungsverluste
15 % von 36.63
x Gesamtwasserbedarf 25
Beispiel zur Dimensionierung der Rohrleitung x Ausgangsdaten Wasserbedarf Fliessgeschwindigkeit Anzahl Arbeitsstunden pro Arbeitstag Faktor für stündlichen Spitzenbedarf Zwangsmischergrösse Wasserzugabezeit in den Mischer
= 42.12 m3/AT = 0.8 m/s = 8 dm/s = 9 h/AT = 1.5 = 1250 l = 20 s
x Max. Wasserbedarf pro Stunde aus Gesamtwasserbedarf Q1max
42.12 1.5 u 9 3.6
=
1.95 l/s
aus Betonmischergrösse 2
Qmax
0.2 u 1250 20
=
12.5
l/s
2 Q1max Qmax
Es empfiehlt sich die Anordnung eines Zwischenspeichers, da ansonsten die Leitungsdimensionierung zu einem unwirtschaftlichen Durchmesser führt. Für die Dimensionierung ist dann Q1max massgebend. x Durchmesser Gesamtzuleitung bis zum Baustellenverteiler
d
4 u1.95 8uS
=
26
0.56 dm = 56 mm
2.3 Stromversorgung [17], [18], [19] Begriffsbestimmung und Berechnungsvorgang x Leistungsbedarf Der Bedarf der elektrotechnischen Einrichtungselemente der Baustelle zur Bestimmung der elektrischen Energie wird nach Einphasen- und Dreiphasenverbrauchern getrennt zusammengestellt. Die Richtwerte für die Anschlusswerte der Verbraucher können den Handbüchern der Gerätehersteller sowie [4] bzw. den nachfolgenden Seiten entnommen werden. a) Leistungswerte der Verbraucher Zusammenstellung der Leistungswerte der einzelnen Verbraucher getrennt nach: x Einphasenwechselstrom (230 V) Die Angabe der wirksamen Leistung in [kW] von Verbrauchern wie z.B. Beleuchtung, Wasserkocher entspricht dem Anschlusswert. Stück
Verbraucher
2 .. ..
Kranleuchten .. ..
Wirkleistung [kW] einzeln Gesamt 40 80 .. .. .. ..
x Dreiphasenwechselstrom (400 V) Angabe der mechanischen wirksamen Leistung an der Antriebswelle von motorgetriebenen Verbrauchern in [kW]; dies kann dem Typenschild oder der BGL [4] entnommen werden. Diese Werte sind nicht dem Anschlusswert gleichzusetzen. Stück
Verbraucher
2 .. ..
Turmdrehkran .. .. 27
Motorleistung [kW] einzeln gesamt 40 80 .. .. .. ..
b) Leistungsaufnahme der Verbraucher Die Leistungsaufnahme der Verbraucher bestimmt sich aus der dem Verbraucher zuzuführenden Leistung Pzu in [kW] unter Berücksichtigung der Ernergieausnutzung (Wirkungsgrad) des Verbrauchers. Die Leistung Pzu wird aus dem Wirkungsgrad K ermittelt: K K Pab Pzu
Pab Pzu
[-]
Wirkungsgrad vom Verbraucher abgegebene Leistung dem Verbraucher zugeführte Leistung
[-] [kW] [kW]
Für einzelne Motoren entspricht Pab der Motorleistung in [kW], der Wirkungsgrad kann mit 0.6 – 0.9 angenommen werden. Werden verschiedene Verbraucher zusammengefasst, d.h. ist Pab die Summe aller erfassten Gerätewerte in [kW], so kann der Wirkungsgrad mit 0.8 – 0.85 angenommen werden. Danach bestimmt sich die dem Verbraucher zuzuführende Leistung Pzu [kW] zu Pzu
Pab K
[kW]
c) Leistungsbereitstellung des Netzes Die Leistungsbereitstellung des Netzes bestimmt sich aus der gemessenen Spannung und Stromstärke im Netz unter Berücksichtigung der Phasenverschiebung von Spannung und Stromstärke in Wechselstromkreisen mit induktivem Widerstand (Motor). Die sich daraus ergebende Scheinleistung PS setzt sich zusammen aus einer Wirkleistung PW [kW] PW PW U I IW
U u IW
U u I u cosM
[kW]
Wirkleistung Spannung Scheinstrom Wirkstrom
[kW] [V] [A] [A]
28
[-] cosM Leistungsfaktor für den Wirkstrom und einer senkrecht dazu stehenden Blindleistung PB [kVA] PB
U u IB
PB U I IB sinM
U u I u sinM
[kVA]
Blindleistung Spannung Scheinstrom Blindstrom Leistungsfaktor für den Blindstrom
[kVA] [V] [A] [A] [-]
Das Verhältnis von tatsächlich aus dem Netz entnommener Leistung in [kW] zu im Netz gemessener Leistung in [kVA] ist der Leistungsfaktor cosM [-]. cosM PS PW cosM
PW PS
[-]
Scheinleistung Wirkleistung Leistungsfaktor für den Wirkstrom
[kVA] [kW] [-]
Für einzelne Motoren kann der Leistungsfaktor cosM mit 0.8 – 0.9 angenommen werden. Bei Zusammenfassung mehrerer Verbraucher liegt der Wert für cosM bei 0.6 – 0.8. Die Wirkleistung PW entspricht der berechneten zugeführten Leistung Pzu. Danach ergibt sich für die Scheinleistung PS [kVA]: PS
PS Pzu cosM
Pzu cosM
mit Pzu = PW
[kVA]
Scheinleistung zugeführte Leistung (= Wirkleistung PW) Leistungsfaktor für den Wirkstrom
29
[kVA] [kW] [-]
Vektoriell stellt sich der Zusammenhang zwischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung wie folgt dar:
Blindleistung P B [kVA]
Wirkleistung PW [kW] M
Scheinleistung PS [kVA]
Bild 2-1: Schematische Darstellung der Leistung von Motoren
Die Angaben in kW sind die Verbrauchsleistungen. Die Angaben in kVA sind die bereitgestellten Leistungen (Scheinleistung) der Transformatoren. Mechanisch durch den Motor nutzbar ist nur der wirksame Anteil der Scheinleistung PW. Bei Beleuchtungseinrichtungen usw. ist nur die Wirkleistung zu berücksichtigen. Eine Blindleistung tritt nicht auf. Es ergibt sich die gesamte erforderliche Scheinleistung PSges [kVA] aus der geometrischen Addition von Scheinleistung der Motoren und Wirkleistung der Beleuchtung zu: PSges PSges PS PWB cosM sinM
PS u cosM PWB 2 PS u sinM 2
[kVA]
gesamte Scheinleistung Scheinleistung Wirkleistung der Beleuchtung Leistungsfaktor für den Wirkstrom Leistungsfaktor für den Blindstrom
[kVA] [kVA] [kW] [-] [-]
30
Bild 2-2: Schematische Darstellung der Gesamtleistung
d) Anschlusswert der Baustelle Der Gesamtanschlusswert PAW in [kVA] für die Baustelle ergibt sich aus der Gesamtscheinleistung PSges in [kVA] unter Berücksichtigung, dass nicht alle Verbraucher gleichzeitig eingeschaltet sind. Dies wird im Gleichzeitigkeitsfaktor a ausgedrückt, der das Verhältnis von tatsächlichem zu theoretisch möglichem Leistungsbedarf angibt. Für den Gleichzeitigkeitsfaktor a kann angenommen werden: x 0.4 – 0.5 für Grossbaustellen x 0.6 – 0.75 für sonstige Baustellen x 0.75 – 0.85 für Einzelgeräte mit mehreren Motoren Danach wird der Anschlusswert PAW [kVA]: PAW PAW PSges a
PSges u a
[kVA]
Anschlusswert der Baustelle Gesamtscheinleistung Gleichzeitigkeitsfaktor
[kVA] [kVA] [-]
31
x Dimensionierung der elektrischen Versorgungsleitungen [17] a) Nach dem zulässigen Spannungsabfall Vertretbare Spannungsverluste 'U in Versorgungsleitungen sind: x 5 % der Nennspannung bei 400 V d.h. 20 V x 3 % der Nennspannung bei 230 V d.h. 6.9 V Nachfolgend sind die Formeln für die Berechnung des erforderlichen Leitungsquerschnitts aufgeführt. Tabelle 2-3: Formeln zur Berechnung des erforderlichen Leitungsquerschnitts A [mm2]
Spannungsabfall ' U [V]
Leitungsquerschnitt A [mm2]
Strom I bekannt Einphasenwechselstrom
2 u lL u I 2 u lL u I u cos M A u cos M FuA F u 'U Leistung PW bekannt
'U
'U
Dreiphasenwechselstrom
2 u lL u PW 2 u lL u PW A Fu A uU F u 'U u U Strom I bekannt 3 u lL u I u cos M A FuA
'U
3 u lL u I u cos M F u 'U
Leistung PW bekannt 'U U 'U I PW lL A F cos M
lL u PW Fu A uU
Spannung Spannungsabfall Stromstärke Wirkleistung bzw. Anschlusswert PAW Leitungslänge Leitungsquerschnitt Leitfähigkeit Leistungsfaktor
32
A
lL u PW F u 'U u U [V] [V] [A] [W] [m] [mm2] [m/:mm2] [-]
Die Stromstärke I [A] ergibt sich x für Einphasenwechselstrom aus:
I
PW U u cosM
[A]
x für Dreiphasenwechselstrom aus:
I
PW
[A]
3 u U u cosM
b) Nach der zulässigen thermischen Belastung Durch die Verlustleistung wird im Kabel Wärme erzeugt, die über die Oberfläche abgeleitet werden muss. Die Temperatur ist vom Isolierstoff abhängig. Sie begrenzt die maximal zulässige Stromstärke. Für kurze Leitungen ist fast immer die thermische Belastbarkeit massgebend. Wurde der erforderliche Leitungsquerschnitt Aerf bestimmt, kann die vorhandene Stromstärke Ivorh ermittelt werden. Im Anschluss muss dieser Wert mit der zulässigen thermischen Dauerbelastbarkeit Izul der Leitung überprüft werden. Die zulässige Dauerbelastungen in [A] und die Leitungsschutzsicherungen sind in Tabelle 2-4 aufgeführt.
33
Tabelle 2-4: Zulässige Dauerbelastung und Zuordnung von ÜberstromSchutzorganen für isolierte Leitungen [20] Gruppe 1
Gruppe 2
Bis zu 3 Leitungen in Rohren
Nennquerschnitt mm2
Kupfer Belastbarkeit in A
Gruppe 3
Frei in Luft verlegte einadrige Leitungen, wobei Rohrdrähte, Feuchtraumleitungen, die Leitungen mit Zwischenraum von Stegleitungen, frei in Luft verlegte mehradrige Leitungen und mehradrige Leitungen zum mindestens Leitungsdurchmesser verlegt sind, und einadrige Leitungen zum Anschluss Anschluss ortsveränderlicher ortsveränderlicher Stromverbraucher Stromverbraucher (einschliessl. Leitungstrossen)
Aluminium
Aluminium
Kupfer
Aluminium
Kupfer
Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A
Belastbarkeit in A
Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A
Belastbarkeit in A
Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A
Belastbarkeit in A
Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A
Belastbarkeit in A
Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A
Belastbarkeit in A
Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A
0.75
13
10
16
15
1
12
10
16
15
20
20
1.5
16
15
20
20
25
25
2.5
21
20
16
15
27
25
21
20
34
35
27
25
4
27
25
21
20
36
35
29
25
45
50
35
35
6
35
35
27
25
47
50
37
35
57
60
45
50
10
48
50
38
35
65
60
51
50
78
80
61
60
16
65
60
51
50
87
80
68
60
104
100
82
80
25
88
80
69
60
115
100
90
80
137
125
107
100
35
110
100
86
80
143
125
112
100
168
160
132
125
50
140
125
110
100
178
160
140
125
210
200
165
160
70
220
225
173
160
260
260
205
200
95
265
260
210
200
310
300
245
225
120
310
300
245
225
365
350
285
260
150
355
350
280
260
415
430
330
300
185
405
350
320
300
475
430
375
350
240
480
430
380
350
560
500
440
430
300
555
435
645
510
400
770
605
500
880
690
34
Dreiphasenverbraucher-Richtgrössen für die Motorenleistung von elektrisch betriebenen Baumaschinen Tabelle 2-5: Motorleistung von Baumaschinen [4]
Baumaschine
Kenngrösse
Motorleistung
Turmkran fahrbar stationär
Nennlastmoment 7 – 45 tm 32 – 1250 tm
15.0 – 33.0 kW 20.0 – 145.0 kW
Aufzug Schnellbauaufzug Aufzug mit Fahrkorb
Traglast 0.2 – 1.0 t 0.5 – 3.2 t
Betonmischmaschine Trommelmischer Trog- / Tellermischer
Mischgefässinhalt 250 – 750 l 150 – 240 l 750 – 4500 l
5.0 – 15.0 kW 3.0 – 8.0 kW 19.0 – 35.0 kW
Betonmischanlage Trog- / Tellermischer Trog- / Tellermischer
Mischgefässinhalt 500 – 2000 l 2000 – 4500 l
20.0 – 80.0 kW 80.0 – 130.0 kW
Kompressor Kleinkompressor Kolbenkompressor Schraubenkompressor
Volumenstrom 0.04 – 1.65 m3/min 2.0 – 9.0 m3/min 3.0 – 19.0 m3/min
0.4 – 15.0 kW 15.0 – 65.0 kW 20.0 – 130.0 kW
Kreissäge Tischkreissäge Handkreissäge
Sägeblattdurchmesser 350 – 550 mm 170 – 550 mm
2.0 – 9.0 kW 0.6 – 4.0 kW
Förderband 500 mm Gurtbreite 650 mm Gurtbreite
Achsabstand 4.0 – 15.0 m 10.0 – 60.0 m
1.0 – 2.0 kW 5.5 – 15.0 kW
Rüttler Aussenrüttler Innenrüttler
Fliehkraft 1.0 – 25.0 kN Flaschendurchmesser 17.0 – 60.0 mm 35
2.0 – 10.0 kW 8.0 – 30.0 kW
0.1 – 3.0 kW 0.6 – 3.0 kW
Zwei- und Dreiphasenverbraucher-Richtgrössen für die Anschlusswerte von Elektrogeräten und Beleuchtung Tabelle 2-6: Anschlusswerte diverser Elektrogeräte [17]
Elektrogerät Elektroherd Kaffeemaschine Wasserkocher Duschspeicher 30 l Boiler 80 l Durchlauferhitzer Waschmaschine Wäschetrockner Händetrockner Kühlschrank Geschirrspüler Heizlüfter
Wechselstrom
Drehstrom
Anschlusswert
x
8.0 – 14.0 kW 1.0 kW 1.0 kW 6.0 kW 6.0 kW 10.0 – 30.0 kW 3.0 kW 3.0 kW 2.0 kW 0.2 kW 3.5 kW 2.0 kW
x x x x x x x x x x x
Tabelle 2-7: Anschlusswerte verschiedener Beleuchtungskörper [17]
Beleuchtung
Anschlusswert
Glühlampe Flutlichtlampen Tiefstrahler Kranleuchten
0.025 – 0.1 kW 0.2 kW 1.0 kW 1.0 kW
36
Beispiel zur Ermittlung des Anschlusswerts einer Baustelle x Zusammenstellung der eingesetzten Baumaschinen Tabelle 2-8: Motorleistung diverser Baumaschinen nach [4]
Stück 1 2 1 1 1 2 1 2
Baumaschine
Motorleistung [kW] Einzeln Gesamt
Turmkran Kompressor Trommelmischer Förderband Tischkreissäge Handkreissäge Aussenrüttler Innenrüttler
45.0 40.0 15.0 15.0 4.0 1.7 0.5 1.2
Gesamt
=
45.0 80.0 15.0 15.0 4.0 3.4 0.5 2.4 165.3 kW
x Zusammenstellung der eingesetzten Elektrogeräte Tabelle 2-9: Anschlusswerte diverser Elektrogeräte nach [4]
Stück 2 2 1 2
Elektrogerät
Anschlusswert [kW] Einzeln Gesamt
Kaffeemaschine Wasserkocher Kühlschrank Heizlüfter Gesamt
1.0 1.0 0.2 2.0 =
37
2.0 2.0 0.2 4.0 8.2 kW
x Zusammenstellung der eingesetzten Beleuchtung Tabelle 2-10: Berechnungsbeispiel der eingesetzten Beleuchtungen [4]
Stück
Beleuchtung
Anschlusswert [kW] Einzeln Gesamt
20 Flutlichtlampe 4 Tiefstrahler 1 Kranleuchte 100 m2 Unterkünfte; 1 Glühlampe je 5 m2
0.2 1.0 1.0
4.0 4.0 1.0 100/5 u 0.06 = 1.2
0.06
Gesamt
=
10.2 kW
x Weitere Ausgangsdaten Motorwirkungsgrad K Leistungsfaktor cos M Gleichzeitigkeitsfaktor a
0.85 0.6 M 0.6
53.1q sin M
0.8
x Leistungsaufnahme der Baumaschinen
Pzu
140.3 165.06 kW 0.85
x Leistungsbereitstellung des Netzes Scheinleistung Baumaschinen
PS1
165.06 0.6
Scheinleistung Elektrogeräte Scheinleistung Beleuchtung
PS2 PS3
8.2 kVA 10.2 kVA
275.10 kVA
Gesamtscheinleistung
PSges
275.10 u 0.6 8.2 10.2 2 275.10 u 0.8 2
x Gesamtanschlusswert PAW
286.52 u 0.6 171.91 kVA
38
286.52 kVA
Beispiel zur Dimensionierung der elektrischen Versorgungsleitungen [17], [20] x Annahmen Bewegliche Verteilerleitung frei in Luft verlegt Motorleistung des Verbrauchers (Kran) PK Wirkungsgrad des Motors K Gleichzeitigkeitsfaktor (hoch, da Einzelgerät) a Leistungsfaktor cos M Leitungslänge (Verteiler – Verbraucher) lL Leitfähigkeit (Kupferkabel) F Spannung U, Dreiphasenwechselstrom Zulässiger Spannungsabfall zwischen Verteiler und Verbraucher 'U
45 kW 0.80 0.85 0.70 30 m 57 m/:mm2 400 V 2.5 % (10V)
x Aufgenommene Wirkleistung PW
45 0.80
56.25 kW
x Massgebend für die Bemessung
PAW
56.25 u 0.85
47.81 kW
x Erforderlicher Leitungsquerschnitt gemäss dem zulässigen Spannungsabfall 47.81 u 30 u 10 3 A erf 6.3 mm2 57 u 10 u 400 x Erforderlicher Leitungsquerschnitt gemäss der thermischen Belastbarkeit 47.81 u 10 3 I 98.58 A 3 u 400 u 0.7 Gemäss Tabelle 2-4 ist für einen höchstzulässigen Nennstrom der Stromsicherung von I = 100 A ein Nennquerschnitt von A erf 25 mm2 notwendig. x Gewählter Querschnitt vieradrige Kupferleitung mit Querschnitt 4 x 25 mm2 (Dreiphasenwechselstrom) 39
Portal Querschlag 1 Vortrieb
Bild 2-3: Elektroinstallationsschema einer Baustelle (Tunnelbau, konventioneller Vortrieb) [2]
40
2.4 Druckluftversorgung Aus der allgemeinen Gasgleichung: p A u VA TA pA VA TA pB VB TB
pB u VB TB
Druck im Punkt A des Systems Volumen des Gases im Punkt A Temperatur des Gases im Punkt A Druck im Punkt B des Systems Volumen des Gases im Punkt B Temperatur des Gases im Punkt B
[bar] [m3] [K] [bar] [m3] [K]
lässt sich die Volumenstromgleichung für Druckluftsysteme wie folgt darstellen: p 0 u QN,Saug T0
pK u QN,K TK
p V u QN, V TV
p0 Luftdruck am Ansaugstutzen QN,Saug Ansaugleistung bei Luftdruck p0 T0 Lufttemperatur am Ansaugstutzen (Aussentemperatur) pK Abgabeluftdruck am Kompressor ins Druckleitungssystem QN,K Abgabeleistung des Kompressors bei Druck pK Drucklufttemperatur am Kompressor TK Betriebsdruck des Verbrauchers pV QN,V Druckluftbedarf aller Verbraucher bei Druck pV Drucklufttemperatur im Verbraucher TV
[bar] [m3/min] [K] [bar] [m3/min] [K] [bar] [m3/min] [K]
Die Volumenstromgleichung lässt sich überleiten zu: QN,K
QN, V u
p V TK u p K TV
[m3/min]
mit pK p V 'p ('p entspricht den Druckverlusten entlang der Leitung) und QN,V (Summe des Druckluftbedarfs aller Verbraucher), hierin sind die Leistungsfaktoren ki und KG bereits berücksichtigt.
41
Verbraucher
Kompressor Bild 2-4: Druckverlauf eines Druckluftsystems
42
Der Druckluftbedarf QN,V [m3/min] aller Verbraucher setzt sich zusammen aus: Q N,V
[m3/min]
¦ Q m,V u k i u K G m
i
k1 1 k 2 fp u fv u fs u fu k3 1 KG 1 QN,V Qm,V k1 k2 k3 fp fv fs fu KG
[-] [-] [-] [-]
Druckluftbedarf aller Verbraucher bei Druck pV Druckluftbedarf des Verbrauchers m bei Druck pV nicht massgebend Leistungseinflussfaktor nicht massgebend Abweichungsfaktor des effektiven Arbeitsdrucks Faktor zur Berücksichtigung des Verschleisses von Geräten und Werkzeugen Gleichzeitigkeitsfaktor für Betrieb mehrerer Geräte Faktor zur Berücksichtigung von Verlusten durch undichte Leitungen Geräteausnutzungsgrad
[m3/min] [m3/min] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Hieraus lassen sich die Gleichungen für die Abgabeleistung QN,K [m3/min] des Kompressors und die Ansaugleistung (Volumenstrom) QN,Saug [m3/min] bei Luftdruck p0 wie folgt darstellen: QN,K QN,Saug QN,K pV pK TK TV QN,Saug
p V TK u pK TV T p QN, V u V u 0 p 0 TV
[m3/min]
QN, V u
[m3/min]
Abgabeleistung des Kompressors bei Druck pK Betriebsdruck des Verbrauchers Abgabeluftdruck am Kompressor ins Druckleitungssystem Drucklufttemperatur am Kompressor ins Druckleitungssystem Drucklufttemperatur im Verbraucher Ansaugleistung (Volumenstrom) bei Luftdruck p0 43
[m3/min] [bar] [bar] [K] [K] [m3/min]
p0 T0
Luftdruck am Ansaugstutzen (atmosphärischer Druck) Lufttemperatur am Ansaugstutzen (Aussentemperatur)
[bar] [K]
In der Praxis kann vereinfachend angenommen werden, dass die Temperaturdifferenzen innerhalb des Druckluftsystems gering sind und somit T T die Quotienten K bzw. 0 vernachlässigt werden können. TV TV Der Leistungseinflussfaktor k2 [-] setzt sich aus vier Einzelkorrekturfaktoren zusammen: Abweichungsfaktor für effektiven Arbeitsdruck fp [-] Tabelle 2-11: Abweichungsfaktor fp [-]
Druck [bar]
fp [-]
5 6 7
0.83 1.00 1.17
Verlustfaktor zur Berücksichtigung des Verschleisses von Geräten und Werkzeugen fv [-] Tabelle 2-12: Verlustfaktor fv [-]
Zustand
fv [-]
gut erhalten ältere Geräte
1.05 1.10
44
Gleichzeitigkeitsfaktor für den Betrieb mehrerer Geräte fs [-]
Bild 2-5: Gleichzeitigkeitsfaktor fs [-] für Kompressoren [21]
Faktor zur Berücksichtigung Leitungen fu [-]
von
Verlusten
durch
undichte
Tabelle 2-13: Verlustfaktor fu [-] - Undichtigkeiten
Leitungszustand gut schlecht
fu [-] 1.2 – 1.3 nach oben unbegrenzt
Druckluftbedarf Qm,V [m3/min] einiger Geräte Tabelle 2-14: Druckluftbedarf Qm,V [4]
Gerät
Pick- und Abbauhämmer Bohrhämmer Drehschlagbohrmaschinen
Gewicht [kg] 5 – 10 11 – 20 21 – 40 15 – 25 80 – 110 ca. 150 45
Druckluftbedarf bei 6 bar Qm,V [m3/min] 0.8 – 1.0 0.8 – 1.2 0.2 – 4.0 0.2 – 4.0 8.0 – 10.0 11.0 – 12.0
Bemessung der Rohrleitung Die inneren Verluste 'p [bar] des Druckleitungssystems durch Reibung an Einbauteilen und Rohrinnenflächen 'p
pK p V
[bar]
werden oft durch äquivalente Rohrleitungslängen ausgedrückt. Die Nennlänge LNenn [m] kann daher wie folgt angegeben werden: L Nenn LNenn Li i
¦ Li
[m]
Nennlänge der Druckluftleitung äquivalente Rohrleitungslänge des Einbauteils i zur Berücksichtigung der Reibung Einbauteil in Rohrleitung
[m] [m]
i
[-]
Die Nennlänge eines Druckleitungssystems setzt sich zusammen aus der wahren Länge der Rohre plus äquivalenten Rohrleitungslängen Li für druckverzehrende Einbauteile. Die Nennlänge kann auch vereinfacht als 1.5-mal wahre Länge angenommen werden. [22] Äquivalente Rohrleitungslänge Li [m] für einige Einbauteile: Tabelle 2-15: Äquivalente Rohrleitungslängen Li [m] [23]
Einbauteil i Rohrleitung Absperrventil Bogen 90° Bogen 30° Absperrschieber
äquivalente Rohrleitungslänge zur Berücksichtigung der Reibung Li [m] tatsächliche Länge 16 5 3 3
46
Die Bemessung der Druckluftleitung, z.B. Hauptleitung bzw. Leitungsabschnitte j, erfolgt mittels Bild 2-6: d
f ^QN,Saug ; L Nenn `
[mm]
dj
f ^QN, j ; LNenn, j `
[mm]
d LNenn QN,Saug j
Rohrleitungsdurchmesser Nennlänge der Druckluftleitung Ansaugleistung bei Luftdruck p0 Rohrleitungsabschnitte
Bild 2-6: Bemessungsdiagramm für Druckleitungen [23]
47
[mm] [m] [m3/min] [-]
2.5 Separationsanlagen Die maximal anfallende Separationsmenge Qfest,i [t/h] bzw. die maximal anfallende Beladung P fest ,i [t/m3] der Suspension mit Feststoffen für den definierten Korndurchmesserbereich / das Separationsintervall i ergibt sich aus: Q fest,i
'si u Ub u Q max 0
[t/h]
P fest,i
§ Qmax u Ub · ¸ 'si u ¨¨ 0 ¸ QF © ¹
[t/m3]
Q fest,i 's i Ub Q max 0 P fest,i QF i
anfallende Separationsmenge für das Separationsintervall i maximal anfallende Gewichtsprozente der separierbaren Böden im Separationsintervall i Dichte des abzubauenden Bodens (ungestört) maximaler Materialanfall (Abbauleistung z.B. der TVM) maximale Beladung der Suspension mit Feststoffen des Separationsintervalls i Trägermediummenge vor Aufgabe des Abbaumaterials (Fördermenge der unbeladenen Förderflüssigkeit) Separationsintervall
[t/h] [Gew.-%] [t/fm3] [fm3/h] [t/m3] [m3/h] [-]
Die erforderliche Separationsleistung ist abhängig von: x der Sieblinie des abzubauenden Bodens x der Förderleistung der Pumpeinrichtung zur Abförderung des Abbaumaterials (Aufgabemenge) x dem Beladungsverhältnis der Suspension x der Dichte des Bodens
48
Maximal anfallende Gewichtsprozente des Bodens im Separationsintervall i 'si [Gew.-%] 's i max ^ 's i, j ` aller j 'si, j max si, j min si, j
[Gew.-%] [Gew.-%]
's i
[Gew.-%]
's i, j max si,j min si,j i j
maximal anfallende Gewichtsprozente der separierbaren Böden im Separationsintervall i, aller betrachteten Sieblinien j Gewichtsprozente der Sieblinie j im Separationsintervall i maximaler Massenanteil der Sieblinie j im Separationsintervall i minimaler Massenanteil der Sieblinie j im Separationsintervall i Separationsintervall Sieblinie (z.B. bei in verschiedenen Abschnitten des Tunnellängsprofils auftretenden Bodenschichten)
[Gew.-%] [Gew.-%] [Gew.-%] [-] [-]
Bild 2-7: Darstellung einer Sieblinie j zur Erklärung der verwendeten Begriffe
49
Beispiel zur Bestimmung der Gewichtsprozente 'si,j des Separationsintervalls i des anfallenden Bodens in den Sieblinien j und den maximal anfallenden Gewichtsprozenten 'si aller anfallenden Böden Es wird eine Tunnelbaumassnahme mit idealisierten Schichtgrenzen zwischen den Böden gleicher Sieblinie betrachtet. Für jeden Bereich der Baumassnahme lässt sich eine repräsentative Sieblinie darstellen. Die Sieblinien werden in die Separationsintervalle aufgeteilt. Aus den Schnittpunkten der Sieblinien mit den Grenzen der Separationsintervalle lassen sich die Massenanteile max si,j bzw. min si,j der verschiedenen Separationsintervalle und Sieblinien ablesen; hier im Beispiel dargestellt für das Separationsintervall 2 der Sieblinie C, max s2,C und min s2,C. Die Gewichtsprozente der Sieblinie j im Separationsintervall i 'si,j ergeben sich somit aus der Differenz des maximalen und des minimalen Massenanteils der Sieblinie j im Separationsintervall i. 'si, j
max si, j min si, j hier dargestellt für die Sieblinie C
Bild 2-8: Beispiel einer Tunnelröhre in verschiedenen Böden
50
Bild 2-9: Sieblinien der anfallenden Böden mit Bestimmung der Gewichtsprozente
's2,A 's2,B 's2,C
max s2,A min s2,A max s2,B min s2,B max s2,C min s2,C
98 30 83 50 57 38
68 Gew.-% 33 Gew.-% 19 Gew.-%
Die maximal anfallenden Gewichtsprozente des Bodens im Separationsintervall 2 (dies ist gleichbedeutend mit dem Intervall zwischen der maximalen Korngrösse von ca. 3 mm und der minimalen Korngrösse von ca. 0.1 mm), 's2, während der gesamten Baumassnahme ergibt sich aus dem Maximum aller zuvor bestimmten 's2,j der anfallenden Böden der Sieblinien j: 's2
max {'s2,A; 's2,B; 's2,C}
's2,A
68 Gew.-%
Dies bedeutet, dass im Bereich A der Baumassnahme mit dem grössten Anteil von zu separierenden Böden des Separationsintervalls 2 zu rechnen ist und daher die Aggregate für die Separationsstufe 2 (0.1 – 3 mm) der Separationsanlage für diese Mengen ausgelegt werden müssen.
51
Die Separationsleistung der Separationsstufe 2 (Mitteltrennung I) muss somit wie folgt dimensioniert werden: Q fest,2
' s2,A u Ub u Qmax 0
[t/h]
Definition: Beladungsverhältnis Pfest [t/m3] Das Beladungsverhältnis der Förderflüssigkeiten entspricht der Masse des geförderten Feststoffs QF uUb [t/h] pro Volumeneinheit des Trägermediums QF [m3/h]. Berechnung der erforderlichen Separationsleistung Es werden die Anteile der verschiedenen Separationsintervalle i der gesamten Sieblinie berechnet. Die Festlegung der verschiedenen Trennschnitte dT der Separationsintervalle i sollte mit den einzelnen Klassifizierungsschritten der Separationsanlage (herstellerbedingt) korrelieren. Im Allgemeinen gelten folgende Trennschnitt-Korngrössen und die sich daraus ergebenden Separationsintervalle: Tabelle 2-16: Einteilung möglicher Separationsintervalle nach [24]
Klassifizierung Grobtrennung Mitteltrennung I Mitteltrennung II Feintrennung
Trennschnitt dT [mm] >3 > 0.1 > 0.03 > 0.005
Separationsintervalle i [-] 1 2 3 4
Spannweite Separationsintervall [mm] >3 3 – 0.1 0.1 – 0.03 0.03 – 0.005
Dimensionierung Die einzelnen Anlageelemente der jeweiligen Separationsstufen werden nach den anfallenden Feststoffmengen je Separationsstufe i bemessen. Die Grösse und Anzahl der Anlageelemente je Separationsstufe ergibt sich aus dem Vergleich der erforderlichen Leistung (anfallende Menge Q fest,i ) mit den entsprechenden Leistungsangaben Q zul der fest,i,Gerät Hersteller: Q fest,i Q zul fest,i,Gerät für alle i-Separationsstufen 52
Ferner muss für das Gesamtsystem gelten:
Ub u Qmax d ¦ Q zul 0 fest,i,Gerät
Maximaler Feststoffdurchsatz des Separationssystems, bestehend aus den Separationsleistungen der einzelnen Anlageelemente der Separationsstufen
3 Manche Hersteller geben auch die maximale Beladung P zul fest ,i,Gerät [t/m ]
der einzelnen Anlageelemente der Separationsstufen für die Dimensionierung an. Für alle Anlageelemente und somit Separationsintervalle muss gelten: zul P fest,i P fest ,i,Gerät für alle i-Separationsstufen
Bild 2-10: Schematische Darstellung einer vierstufigen Separationsanlage
53
3 Erdbaugeräte Hydraulikbagger Radlader Kettenlader (Laderaupe) Planiergeräte: Rad- und Raupenplaniergeräte Scraper Grader Verdichtungsgeräte
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_3, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
3.1 Hydraulikbagger Nutzleistung QN [fm3/h] eines Hydraulikbaggers
QN
VSAE u 3600 u k 1 u k 2 u k 3 u KG tS
[fm3/h]
k1
DuM
k2
f1 u f2 u f3 u f4 u f5
[-] [-]
k3
K1 u K2
[-]
QN VSAE tS D M K1 K2 f1 f2 f3 f4 f5 k1 k2 k3 KG
Nutzleistung Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Einfluss Grabentiefe bzw. Abbauhöhe Schwenkwinkeleinflussfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad
56
[fm3/h] [m3] [s] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Für den Hydraulikbagger steht neben dem Tieflöffel, dem Hochlöffel bzw. der Ladeschaufel und dem Greifer eine Vielzahl weiterer Arbeitseinrichtungen zur Verfügung. Bei Grabungsarbeiten unterhalb der Aufstandsfläche des Baggers, z.B. bei Gräben, finden vor allem der Tieflöffel und der Teleskopgreifer Anwendung. Der Bagger arbeitet dann mit seinem kinematischen Ausleger von oben und bewegt sich rückwärts. Steht er hingegen vor einer abzugrabenden Böschung auf der Aushubsohle, so kommen entweder der Hochlöffel, die Ladeschaufel oder auch die Klappschaufel zum Einsatz. Der Bagger arbeitet dabei mit seinem kinematischen Ausleger stets von unten nach oben sowie vom Gerät weg und bewegt sich im Verlauf des Arbeitsfortschrittes vorwärts. Spielzeit tS [s]
Die Spielzeit setzt sich zusammen aus dem Füllen des Löffels, dem Heben und Schwenken zum Entladeort, dem Entleeren des Löffels und dem Rückschwenken und Senken zum Beladeort. Um hier eine Vereinheitlichung der Zeiten zu erhalten, wird die Spielzeit unter gewissen optimalen technischen Normbedingungen gemessen: ungestörter Einsatz, Entladen auf Halde, Schwenkwinkel 90q, pausenlose Arbeit, eingearbeiteter Baggerführer, günstige Abbauhöhe [5], [6]. Ausserdem ist die Spielzeit von der zu grabenden und ladenden Bodenart abhängig, so dass der Vorgang des Füllens des Löffels beträchtlichen Zeitschwankungen unterworfen ist. Teilzeiten im Arbeitsspiel eines Baggers: Vorgang
Hydraulikbagger Liebherr R 942 Litronic mit Tieflöffel
Füllen Heben Schwenken Entleeren Rückschwenken Senken 6s
9s
5s
Grundspielzeit tS = 20s
Bild 3-1: Spielzeit tS eines Hydraulikbaggers Liebherr R 942 Litronic mit Tieflöffel nach [5] unter optimalen technischen Bedingungen
57
Systemgerechter Hydraulikbaggereinsatz
Der systemgerechte Einsatz von Hydraulikbaggern setzt folgende Randbedingungen voraus: x x x x x
günstige Anschnitthöhe hgün (Grabentiefe/Abbauhöhe zu Stiellänge) kleinstmöglicher Schwenkwinkel < 90° Fördermittel soll in der Regel auf der Baggersohle stehen Abstimmung der Fördermittelgrösse auf die Grabgefässgrösse Schnittaufteilung (optimale Bestreichfläche des Löffels) ohne ungünstige Restschnitte und mit guter Möglichkeit des Abtransports x Minimierung der Baggerfortbewegung (Standortwechsel) x Rundfahrbetrieb der Transportfahrzeuge, kontinuierliches Baggern x Maximalleistungen bei Baggern werden erfahrungsgemäss erzielt, wenn der Schnitt (Bestreichfläche des Löffels) mit 75 % der konstruktiv möglichen Daten [6] angelegt und somit die optimale Schnitthöhe erreicht wird.
Bild 3-2: Optimaler Einsatz Bagger – LKW [6]
58
Bild 3-3: Ideale Tieflöffeleinsätze [6]
59
VSAE [m3]
Tieflöffel 2.5 4&5
2.0 3
1.5
1.0
0.5
0
10
15
20
25
Spielzeit tS [s]
3 Leicht lösbare Bodenarten 4 Mittelschwer lösbare Bodenarten 5 Schwer lösbare Bodenarten
Bild 3-4: Spielzeit tS [s] von Baggern mit Tieflöffel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 nach [25], [26]
60
VSAE [m3]
Hochlöffel/ Klappschaufel 2.5
3 2.0 6
1.5
4&5 1.0
0.5
0 10
15
3 4 5 6
20
25
Spielzeit tS [s]
Leicht lösbare Bodenarten Mittelschwer lösbare Bodenarten Schwer lösbare Bodenarten Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten
Bild 3-5: Spielzeit tS [s] von Baggern mit Hochlöffel/Klappschaufel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 nach [25], [26]
61
3.2 Radlader Nutzleistung QN [fm3/h] eines Radladers
QN
VSAE u 3600 u k 1 u k 2 u k 3 u KG tS
[fm3/h]
k1
DuM
[-]
k2
f 2 u f3 u f 4 u f5
[-]
k3
K1 u K 2
[-]
QN VSAE tS D M K1 K2 f2 f3 f4 f5 k1 k2 k3 KG
Nutzleistung Nenninhalt des Ladegefässes gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad
62
[fm3/h] [m3] [s] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Spielzeit tS [s]
tS = tS0 + tF + 't
[s]
Die Spielzeit des Radladers [6], [7] kann unterteilt werden in: x tS0
Grundspielzeit: Beinhaltet Laden, Auskippen, vier Fahrtrichtungswechsel und die kleinstmögliche Fahrstrecke. Die Grundspielzeit kann je nach Grösse des Radladers mit Knicklenkung zwischen 27 und 33 Sekunden angenommen werden (Bild 8-7).
x tF
Fahrzeit: Beinhaltet die für die Fahrstrecke benötigte Zeit bei Hin- und Rückfahrt ausserhalb des in Bild 8-7 dargestellten Manöverbereichs. In den Handbüchern von Liebherr [6] und Caterpillar [7] sind zu den einzelnen Radladertypen Diagramme der Fahrzeit der Hin- und Rückfahrt vorhanden.
x 't
Änderung der Spielzeit: Entsteht durch Abweichungen von den Normbedingungen der Grundspielzeit gemäss Tabelle 3-1.
63
Tabelle 3-1: Änderung der Spielzeit 't [s] eines Radladers nach [7]
't [s] - 3.0
Gerät
mit Materialumschlagausrüstung Material
gemischt
+ 1.2 + 1.2 - 1.2 0.0 + 1.8 und mehr
< 3 mm 3 mm – 20 mm 20 mm – 150 mm > 150 mm gewachsene Wand oder gebrochenes Gestein
+ 2.4 und mehr
Haufwerk
mit Förderband oder Dozer auf min. 3 m angehäuft mit Förderband oder Dozer auf max. 3 m angehäuft mit LKW geschüttet Verschiedenes LKW und Lader im gleichen Besitz LKW im Fremdbesitz ständiger Betrieb zeitweiliger Betrieb kleine Abladefläche besondere Sorgfalt beim Abladen
64
0.0 und mehr + 0.6 und mehr + 1.2 und mehr bis zu bis zu bis zu bis zu bis zu bis zu
- 2.4 + 2.4 - 2.4 + 2.4 + 2.4 + 3.0
3.3 Kettenlader (Laderaupe) Nutzleistung QN [fm3/h] eines Kettenladers
QN
VSAE u 3600 u k 1 u k 2 u k 3 u KG tS
[fm3/h]
k1
DuM
[-]
k2
f 2 u f3 u f 4 u f5
[-]
k3
K u K2
[-]
QN VSAE tS D M K1 K2 f2 f3 f4 f5 k1 k2 k3 KG
1
Nutzleistung Nenninhalt des Ladegefässes gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad
65
[fm3/h] [m3] [s] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Spielzeit tS [s]
tS
tL tM tF tE 't
[s]
Die Spielzeit des Kettenladers [6], [7] kann unterteilt werden in: x tL
Ladezeit: Ist abhängig von der Art des Bodens.
x tM
Manövrierzeit: Umfasst die Basisfahrzeit mit vier Richtungsänderungen und die Wendezeit.
x tF
Fahrzeit: Beinhaltet die für die Fahrstrecke benötigte Zeit bei Hin- und Rückfahrt.
x tE
Entladezeit: Wird von der Grösse der Entladestelle bestimmt.
x 't
Änderung der Spielzeit
Tabelle 3-2: Ladezeit tL [s] nach [7]
Material gleichmässige Gesteinsmischung feuchte, ungleichmässige Gesteinsmischung feuchter Lehm Erde, Steine, Wurzeln stark bindige Materialien zementgebundenes Material, gebrochener Fels
tL [s] 1.8 – 3.0 1.8 – 3.6 2.4 – 4.2 2.4 – 12.0 6.0 – 12.0 3.0 – 12.0
Manövrierzeit tM [s]
Die Manovrierzeit beträgt bei voller Motorleistung und einem guten Fahrer 12 Sekunden. Fahrzeit tF [s]
Die Handbücher von Liebherr [6] und Caterpillar [7] enthalten Diagramme der Fahrzeit der Hin- und Rückfahrt zu den einzelnen Kettenladertypen. 66
Entladezeit tE [s]
Die Entladezeit beträgt zwischen 0 und 6 Sekunden. Typische Werte für die Entladezeiten beim Beladen von LKWs liegen bei 2.5 bis 4.0 Sekunden. Tabelle 3-3: Änderung der Spielzeit 't [s] nach [7] - Kettenlader
't [s] + 1.2 + 1.2 - 1.2 0.0 + 2.0 und mehr
Material
gemischt < 3 mm 3 mm – 20 mm 20 mm – 150 mm > 150 mm gewachsene Wand oder gebrochenes Gestein
+ 2.5 und mehr
Haufwerk
mit Förderband oder Dozer auf min. 3 m angehäuft mit Förderband oder Dozer auf max. 3 m angehäuft mit LKW geschüttet Verschiedenes LKW und Lader im gleichen Besitz LKW im Fremdbesitz ständiger Betrieb zeitweiliger Betrieb kleine Abladefläche besondere Sorgfalt beim Abladen
67
0.0 + 0.6 + 1.2 bis zu bis zu bis zu bis zu bis zu bis zu
- 2.5 + 2.5 - 2.5 + 2.5 + 2.5 + 3.0
3.4 Planiergeräte Rad- und Raupenplaniergeräte, Scraper, Grader Berechnungsalternative A ~ Grundschubleistung Q 0 [lm3/h]
~ Q 0 (w)
V P100 u 60 u M u f w (w) tU
[lm3/h]
mit:
0.5 y 0.8 u h2 u b
V P100
[lm3]
~ 3 Q 0 ( w ) Grundschubleistung entfernungsabhängig, loses Ma- [lm /h] terial (Bild 3-6) ~ Nutzleistung (Dauerleistung) Q PN [lm3/h] bezogen auf die Verteilung von losem Schüttmaterial:
~ QPN (w)
VP100 u 60 u M u k 2 (w) u k 3 u ȘG tU
~ QPN (w)
VP100 u 60 u M u f w (w) u f 1P u f 2P u f 3 E u f4 u f5 u k 3 u ȘG tU [lm3/h]
[lm3/h]
mit: k2
5
fi 5
fi u fw (w)
k 2 (w) k3
f1P u f2P u f3 (E) u f4 u f5
i 1
i 1
[-]
k 2 u f w (w)
[-]
2
K i # 0 .7
[-]
i 1
68
folgt: 5
2
i 1
i 1
~ QPN (w)
~ Q 0 (w) u fi u Ki u ȘG
[lm3/h]
~ QPN (w)
~ Q 0 (w) u k 2 u k 3 u ȘG
[lm3/h]
~ QPN ~ Q 0 (w) VP100 tU M k2(w) k3 KG b h w f1P f2P f3(E) f4 f5 fw(w) K1 K2
Nutzleistung loses Material
[lm3/h]
Grundschubleistung entfernungsabhängig, loses Material (Bild 3-6) Schildschubkapazität Umlaufzeit Füllungsgrad des Schildes Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad Breite des Schildes Höhe des Schildes Förderstrecke Schubbahnenfaktor (Schiebefaktor) Schildarteinflussfaktor (Schildeinrichtung) Steigungsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor entfernungsabhängiger Leistungsfaktor Bedienungsfaktor 0.75 – 1.00 Betriebsbedingungen
[lm3/h] [lm3] [min] [-] [-] [-] [-] [m] [m] [m] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Nutzleistung (Dauerleistung) Q PN [fm3/h] bezogen auf Festmaterial: VP100 QPN (w) u 60 u M u D u k 2 (w) u k 3 u ȘG [fm3/h] tU
Q PN (w) D
~ Q 0 ( w ) u D u k 2 u k 3 u KG
[fm3/h]
Lösefaktor des zu lösenden Materials
69
[fm3/lm3]
Umlaufzeit tU [min]
tU tH
tH tR lH vH
;
[min] tR
lR
[min]
vR
Q PN (w) Nutzleistung (Dauerleistung) bezogen auf Festmaterial tH Hinfahrzeit unter Last, Verteilen des von den LKW abgeladenen Materials tR Rückfahrzeit Schub-/Fahrentfernung lH vH Schub-/Fahrgeschwindigkeit Strecke der Rückfahrt lR vR Fahrgeschwindigkeit auf der Rückfahrt
[fm3/h] [min] [min] [m] [m/min] [m] [m/min]
~ Grundschubleistung Q 0 (w) [lm3/h] Die Handbücher von Liebherr [6] und Caterpillar [7] enthalten Diagramme der maximalen Schubleistung (Einheit: Kubikmeter loses Material pro Stunde). Sie basieren auf folgenden Normbedingungen: x 100 % Nutzung des Geräts x keine Steigung x Die Planierraupe schneidet 15 m weit an und schiebt die Schildfüllung zur Entleerung über eine steil abfallende Wand x spezifisches Schüttgewicht 1400 kg/lm3 x Zugkraftkoeffizient 0.5 und grösser x hydraulisch betätigte Planiereinrichtungen Für die Berechnung der Leistung in Festkubikmeter muss die maximale Schubleistung mit dem Lösefaktor multipliziert werden. Um die maximale Schubleistung zu erhalten, benötigt man für die Diagramme die durchschnittliche Länge der Abschubstrecke und den Modelltyp der Planierraupe (Leistung) mit dem entsprechenden Schild.
70
Grundschubleistung
243 kW
~ Q 0 (w)
172 kW
132 kW 97 kW 77 kW
w [m]
~ Bild 3-6: Schubleistung Q 0 (w) [lm3/h] von Planierraupen [6]
~ Bild 3-6 zeigt die Grundschubleistung Q 0 (w) von Planierraupen mit Brustschild in Abhängigkeit von der Förderstrecke w [m] ohne die Anschnittstrecke (ca. 15 m).
71
Tabelle 3-4: Faktoren im Erdbau nach [6]
M [-] 1.2
Füllfaktor loses Haufwerk schwer zu lösen, gefroren mit Kippzylinder ohne Kippzylinder schwer zu schieben (trocken, nicht bindig) sehr bindiges Material Fels, gerissen oder gesprengt
0.8 0.7 0.6 – 0.8 0.6 – 0.8 0.6 – 0.8
Bedienungsfaktor geübt durchschnittlich mässig
K1 [-] 1.0 0.80 0.65
Betriebsbedingungen Staub, Regen, Schnee, Nebel oder Dunkelheit
K2 [-] 0.8
Schubbahnfaktor in Bahnen
f1P [-] 1.2
Schildarteinflussfaktor U-Schild Brustschild Schwenkschild
f2P [-] 1.2 1.0 0.5 – 0.75
Steigungsfaktor siehe nachfolgendes Diagramm
f3(E) [-]
f3(E) - Faktor
Gefälle
%
Bild 3-7: Steigungsfaktor f3(E) [6]
Steigung
72
Erforderliche Anzahl von Planierraupen nPlanierraupen [-] nPlanierraupen t
Q TNerf AT
[-]
QPN
QTNerf-AT Transportfahrzeugleistung pro Arbeitstag Gesamtleistung der eingesetzten Planierraupen
¦ QPN
nPlanierraupen u QPN t Q TNerf AT
¦ QPN
[lm3/h] [lm3/h]
Achtung: Die Gesamtleistung entweder auf festes oder auf loses Material beziehen.
~ Bild 3-8: Leistungsdiagramm Q 0 (w; v; P; VP100) [lm3/h] für Schubraupen im Entfernungsbereich bis 50 m [27]
73
Rippereinsatz von Planierraupen mit Heckaufreisser Nutzleistung QN [fm3/h] von Planierraupen mit Heckaufreisser QN
Q 0 u k 2 u k 3 u KG
[fm3/h]
k2
f1 u f 4 u f5
[-]
k3
K1 u K 2
[-]
~ Nutzleistung Q N [lm3/h] von Planierraupen mit Heckaufreisser ~ QN QN ~ QN Q0 D f1 f2, f3 f4 f5 k2 k3 K1 K2 KG v b d bP dP v f1
Q0 u
1 u k 2 u k 3 u KG D
[lm3/h]
Nutzleistung Nutzleistung maximale Grundreissleistung Lösefaktor Eindringtiefenverhältnis (praktische zu theoretischer Reisstiefe) nicht massgebend Reisszahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Geräteausnutzungsgrad Reissgeschwindigkeit theoretische Reissbreite bei einem Durchgang theoretische Reisstiefe praktische Reissbreite praktische Reisstiefe QN bP u dP bP u dP 1 bud
[fm3/h] [lm3/h] [fm3/h] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [m/h] [m] [m] [m] [m] [m/h] [-]
74
Planiergeräte Zum Reissen von klüftigem, bankigem Fels eignet sich der Einsatz von schweren Raupengeräten. Diese Geräte müssen ausreichend Eigengewicht und Zugkraft aufweisen, um die Reisskraft aufzubringen. Folgende Gesteine eignen sich besonders zum Rippern: x x x x
stark geologisch vorfraktionierte Gesteine bankige Kalke Sandstein, Mergel, kalkige Mergel Schiefer
Obere Bodenschicht Lehm, Ton Gletschermoräne Vulkanisches Gestein Granit Basalt Trappfels Sedimentgestein Schiefer Sandstein Schluffmergel Tonschiefer Konglomerat Breccie Kalkstein Metamorphes Gestein Tonschiefer Tafelschiefer Mineralien und Erze Kohle Eisenerze
Bild 3-9: Klassifizierung der Reissbarkeit des Gesteins nach seismischer Wellengeschwindigkeit (Planierraupe mit 433 kW) [6]
75
Planiergeräte Die Reissbarkeit des Gesteins wird meist durch die physikalische Grösse der seismischen Geschwindigkeit klassifiziert [6]. Allgemein kann man feststellen, dass die Grenze der wirtschaftlichen Abbaubarkeit durch die Rippertechnik bei 1500 – 1800 m/s liegt. Dabei sind folgende Bedingungen zu beachten: x Die Eindringtiefe des Reisszahns ist der Schlüssel zum Reisserfolg. x Niedrige seismische Geschwindigkeiten deuten auf gute Reissbarkeit hin. x Bei festem und hartem Material kann Vorsprengen die Reissbarkeit verbessern. Das Rippern ist eine Kunst und keine exakte Wissenschaft. Daher ist exemplarisch die nachfolgend angegebene Leistungskurve für eine Liebherr PR 751 [6] mit 4.8 – 5.5 t und 240 kW gültig. Dieses Reissleistungsdiagramm gilt unter folgenden Voraussetzungen: x Einzahnaufreisser x 100 % Effektivität (60 min Reissen) x seismische Geschwindigkeit ca. 1500 m/s, zwischen 1500 und 1800 m/s um 25 % abmindern x ideal > stark geschiefertes Material x erschwert > bankig
Reissleistung [fm3/h]
fm3/h
Bild 3-10: Grundreissleistung Q0 [fm3/h] einer Raupe mit 240 kW Leistung [6]
76
Planiergeräte Scraper (Flachbagger) Nutz-/Dauerleistung QSN [fm3/h] 3 VSAE u 60 u k i u KG tU i 1
QSN
QSN VSAE tU ki KG
[fm3/h]
Nutz-/Dauerleistung Fördergefässinhalt gemaess SAE Umlaufzeit Einflussfaktoren Geräteausnutzungsgrad
[fm3/h] [m3] [min] [-] [-]
Ladefaktor k1 [-] k1
DuM
D M
[-]
[fm3/lm3] [-]
Lösefaktor Füllfaktor
Leistungseinflussfaktor k2 [-] k2
5
mit f 2 ; f 3 1 f1; f 4 ; f 5 d 1
[-]
Schürftiefeneinfluss nicht massgebend nicht massgebend Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor
[-] [-] [-] [-] [-]
fi i 1
f1 f2 f3 f4 f5
Betriebsbeiwert k3 [-] k3
2
Ki
[-]
i 1
K1 K2
[-] [-]
Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen
77
Ladestrecke 30 – 70 m
Entleeren Fahrstrecke l [km]
Wenden
Wenden
Bild 3-11: Fahrstrecke [3]
Umlaufzeit tU [min] tU
t L t E 2 u t W t H, voll t R,leer
tU
tL tE 2 u t W ¦
tU tL tE tW tH,voll, tR,leer li vvoll,i vleer,i
[min]
60 u li 60 u li ¦ 1000 u v voll,i 1000 u v leer,i
Umlaufzeit Beladezeit Entleerungszeit Wendezeit Hinfahr-/Rückfahrzeit Fahrstrecke i Fahrgeschwindigkeit unter Last (voll) Fahrgeschwindigkeit leer
78
[min] [min] [min] [min] [min] [min] [m] [km/h] [km/h]
Berechnungsalternative B Nutz- bzw. Dauerleistung von Scrapern QSN [fm3/h] und Rad- und Raupenplaniergeräten QPiN [fm3/h]: Scraper:
Q SN
VS,0 u MS u
Q10 ( w ) u k 2 u k S u KG 10
[fm3/h]
Rad- u. Raupenplaniergeräte:
QPiN
VP,0 u MP u Q1( w ) u k 2 u k P - i u KG
[fm3/h]
mit:
VS,0
VS,0 u D ; VP,0
0.8 u b u h 2 u D
QSN Nutz-/Dauerleistung Scraper Nutz-/Dauerleistung Rad- u. Raupenplaniergeräte QPiN Q10 ( w ) Scraper-Einheitsgrundförderleistung (10 m3-Gefäss) in Abhängigkeit von der Förderweite w Q1( w ) Rad-/Planiergerät-Einheitsgrundförderleistung 3 (1 m -Gefäss) in Abhängigkeit von der Förderweite w VS,0 Scraper-Fördergefässinhalt, gestrichen voll VS,0 Nenninhalt der Scrapermulde gemäss SAE Planierschildinhalt VP,0
[fm3/h] [fm3/h] [fm3/h]
kS; kP-i k2 D Mi s p i KG
[-] [-] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-]
Betriebsbeiwert k3 Leistungseinflussfaktor Lösefaktor Gerätefüllungsgrad Scraper Planiergerät Rad- bzw. Raupenplaniergerät Geräteausnutzungsgrad
79
[fm3/h]
[fm3] [lm3] [fm3]
Die Leistungslinien im nachstehenden Förderleistungsdiagramm sind aus Praxiserfahrungen mit folgenden Annahmen (für ideale Fördergefässinhalte von VS,0 10 fm3 gestrichen voll bzw. VP,0 1 fm3) zusammengestellt: x Auflockerungsgrad GA 1 bzw. Lösefaktor D 1 x Gesamtabminderungsfaktor k 1 x Gerätefüllungsgrad M 1 Leistungseinflussfaktor k2 [-]
k2
f4 u f5
f4 f5
[-]
Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor
[-] [-]
Betriebsbeiwert k3 [-]
k3
2
Kj j 1
K1 u K 2 i
K1 K2
[i|i
k S bzw. k P-i Radgerät, i
[-] Raupengerät ] [-] [-]
Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen
Tabelle 3-5: Diverse Betriebsbeiwerte
Scraper kS = 0.6 – 0.9 Radplaniergeräte kP-Rad = 0.45 – 0.8 Raupenplaniergeräte kP-Raup = 0.6 – 0.8
80
MS MP
= 0.7 – 1.1 = 0.5 – 0.9
Planiergeräte Förderweite in m
Scraper Förderweite in km
Förderleistungsdiagramm für Scraper, Rad- und Raupenplaniergeräte
1.8 1.7 1.6 1
1.5 1.4
2
1.3 3
1.2 1.1
Einheitsgrundförderleistung Q1 bzw. Q10 [fm3/h]
1 Q10
130 120 110 100 90
2 Q1 80
70
60
3 Q1 50
40
30
20
1.0
100
0.9
90
0.8
80
0.7
70
0.6
60
0.5
50
0.4
40
0.3
30
0.2
20
0.1
10
10
Bild 3-12: Förderleistungsdiagramm für Scraper, Rad- und Raupenplaniergeräte [3]
81
Grader Die Arbeitsleistung eines Graders hängt stark von den Einsatzbedingungen ab: Tabelle 3-6: Leistung eines Caterpillar Graders 140H mit 138 kW Leistung nach [7]
Art der Arbeit
Feinplanieren auf Kippe Schwerplanieren Instandhalten von Baustrassen Instandhalten von Erd- und Förderwegen Böschungsarbeiten Anlegen/Räumen von Gräben Aufreissen Verteilen von Schüttgut Schneeräumung
82
Arbeitsleistung QN [m2/h] 8’000 18’000 30’000 30’000 6’000 9’000 5’000 12’000 50’000
Verdichtungsgeräte 3.5 Verdichtungsgeräte Nutzleistung QN [vm3/h] eines Verdichtungsgeräts
k1
vubud u k 1 u k 2 u k 3 u KG n 1
[-]
k2
f5
[-]
k3
K1 u K2
[-]
QN
QN v b d n k1 k2 k3 K1 K2 f 1; f 2; f 3; f 4 f5 KG
[vm3/h]
Nutzleistung (bezogen auf verdichteten Zustand) Geschwindigkeit des Geräts wirksame Breite Schütthöhe, verdichtet Zahl der Übergänge nicht massgebend Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen nicht massgebend Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad
[vm3/h] [m/h] [m] [m] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Die Höhe des verdichteten Bodens d [m] ergibt sich aus folgender Beziehung: d
~ d Gv
~ d u GV
[m] Schütthöhe, unverdichtet Verdichtungsfaktor 1
[m] [vm3/lm3]
Unter Verdichtung versteht man die bleibende Verminderung des Porenanteils bzw. die bleibende Erhöhung der Trockendichte eines Bodens. Bei nichtbindigen Böden besitzen der Ungleichförmigkeitsgrad und die Kornrauhigkeit den grössten Einfluss auf die Verdichtbarkeit. Die Verdichtung gemischtkörniger Böden mit höherem Feinanteil hängt in erster Linie vom Wassergehalt und dem Sättigungsgrad ab [28]. 83
In Tabelle 3-7 sind Anhaltswerte für den Verdichtungsfaktor Gv dargestellt. Bei der Anwendung dieser Werte ist zu berücksichtigen, dass es sich um Näherungswerte handelt, die lediglich einer überschlägigen Berechnung dienen können. Für eine genaue Leistungsberechnung der Bodenverdichtung ist die genaue Kenntnis der Bodenzusammensetzung und der wichtigsten Parameter wie z.B. Trockenrohdichte, Wassergehalt und Verdichtungslinie unerlässlich. Tabelle 3-7: Anhaltswerte für den Verdichtungsfaktor Gv nach [29]
Die Eignung der Verdichtungsgeräte ist je nach Baustellenart und -bedingungen sehr verschieden. Die Tabellen 3-8 bis 3-12 geben einen Überblick.
84
Bauwerkshinterfüllung
Leitungsgräben
Einschnitt
Damm und
Baustellenbedingungen
E
E
+ ++
+ ++
+ +
+
++ +
++ +
Arbeitsfläche eng frei
Geräteart
E
E
+ + ++ ++ ++ +
+ ++ ++ ++ ++ ++
++ ++ + +
+ +
statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze
selbstfahrend gezogen
Gürtelradwalze Gitterradwalze
dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze
Doppelvibrationswalze
leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer
< 50 kN > 80 < 25 > 25 < 50 > 50
kN kN kN kN kN
Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht < 25 kN schwer > 25 kN
++ ++ ++ ++ + ++ ++
Legende:
E
Vibrationstandemwalze
++ +
++ ++ ++ + ++ + ++ ++ + ++
Eignung empfohlen meist geeignet
Tabelle 3-8: Einsatzmöglichkeit von Verdichtungsgeräten nach [28]
85
x Geschwindigkeit v [m/h] Arbeitsgeschwindigkeit nach Herstellerangaben, im Allgemeinen beträgt sie zwischen 2000 und 6000 m/h [7].
x Wirksame Breite b [m] Die wirksame Breite des Verdichtungsgeräts entspricht höchstens der 0.8fachen Breite der effektiven Grösse. Zum Berechnen der effektiven Breite muss die Breite der Einbaubahn im Verhältnis zur Rollbreite berücksichtigt werden [7]. Beispiel: Eine Vibrationswalze mit einer Walzkörperbreite von 1.98 m benötigt 2 Rollbreiten, um eine 3.6 m breite Spur zu verdichten. Die wirksame Breite beträgt also 1.8 m. Eine Walze mit 1.4 m Walzkörperbreite muss 3 Übergänge durchführen, um die 3.6 m breite Spur zu verdichten. Ihre wirksame Breite beträgt daher 1.2 m. ~ x Schütthöhe d [m] siehe Tabellen 3-9 bis 3-12.
x Zahl der Übergänge n [-] siehe Tabellen 3-9 bis 3-12.
86
Lockergestein grobkörnig, nicht bindig Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze
selbstfahrend gezogen
E
~ d [cm]
n [-]
+
10 – 20
4– 8
++ ++
20 – 30 30 – 50
6 – 10 6 – 10
+ + ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ + ++ ++
20 – 50 20 – 40 30 – 50 40 – 60 50 – 80 20 – 40 30 – 50 20 – 40 30 – 50 30 – 50 20 – 40 30 – 60
3–5 2–4 3–5 3–5 3–5 4–6 4–6 4–6 4–6 3–5 5–8 4–6
Gürtelradwalze Gitterradwalze dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze
Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze
leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer
< 50 kN > 80 < 25 > 25 < 50 > 50
kN kN kN kN kN
Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht < 25 kN schwer > 25 kN
Legende:
E
~ d n
Tabelle 3-9:
Eignung Schütthöhe Anz. Übergänge
++ +
empfohlen meist geeignet
Eignung von Verdichtungsmitteln in grobkörnigem, nicht bindigem Lockergestein nach [28]
87
Lockergestein feinkörnig (bindig), bindige Sande Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze
sebstfahrend gezogen
Gürtelradwalze Gitterradwalze dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze
Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze
leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer
E
~ d n
Tabelle 3-10:
~ d [cm]
n [-]
+ ++ ++ ++ ++ +
10 – 20 20 – 30 20 – 30 30 – 50 20 – 30 20 – 30
4– 8 8 – 12 6 – 10 6 – 10 6– 8 6 – 10
+ ++ +
50 – 70 20 – 40 10 – 20
4 3– 5 2– 4
+ + + +
20 – 30 30 – 40 10 – 20 10 – 30
3– 3– 5– 5–
++
20 – 40
6 – 10
< 50 kN > 80 < 25 > 25 < 50 > 50
kN kN kN kN kN
Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht < 25 kN schwer > 25 kN
Legende:
E
Eignung Schütthöhe Anz. Übergänge
++ +
4 4 8 8
empfohlen meist geeignet
Eignung von Verdichtungsmitteln in feinkörnigem, bindigem Lockergestein nach [28]
88
Lockergestein gemischtkörnig (bindig, schwach steinig) Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze
selbstfahrend gezogen
Gürtelradwalze Gitterradwalze dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze
Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze
leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer
< 50 kN > 80 < 25 > 25 < 50 > 50
kN kN kN kN kN
Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht < 25 kN schwer > 25 kN
Legende:
E
~ d n
Tabelle 3-11:
E
~ d [cm]
n [-]
+ + + ++ ++ ++
10 – 20 20 – 30 20 – 30 30 – 40 20 – 30 20 – 30
4– 8 8 – 12 6 – 10 6 – 10 6– 8 6 – 10
++ + + + ++ ++ + ++
50 – 70 20 – 50 20 – 30 20 – 40 30 – 50 40 – 60 20 – 30 20 – 40
4 3– 2– 3– 3– 3– 5– 5–
+ ++ + +
20 – 40 20 – 40 10 – 20 20 – 40
5– 8 6 – 10 5– 8 4– 6
Eignung Schütthöhe Anz. Übergänge
++ +
empfohlen meist geeignet
Eignung von Verdichtungsmitteln in gemischtkörngem, bindigem Lockergestein nach [28]
89
5 4 5 5 5 8 8
Fels Steine und Blöcke bis 400 mm, nicht bindig Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze
dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze leicht mittel schwer Doppelvibrationswalze leicht schwer Vibrationstandemwalze leicht schwer Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht schwer E
~ d n
Tabelle 3-12:
~ d [cm]
n [-]
+
20 – 30
8 – 12
+
30 – 40
8 – 12
++ +
50 – 80 30 – 50
4 3– 5
+ ++
40 – 60 50 – 100
4– 6 4– 6
+
30 – 50
5– 8
++
30 – 50
6 – 10
+
30 – 50
4– 6
selbstfahrend gezogen
Gürtelradwalze Gitterradwalze
Legende:
E
< 50 kN > 80 < 25 > 25 < 50 > 50
kN kN kN kN kN
< 25 kN > 25 kN
Eignung Schütthöhe Anz. Übergänge
++ +
empfohlen meist geeignet
Eignung von Verdichtungsmitteln in nicht bindigem Fels nach [28]
90
4 Transportgeräte Lastkraftwagen, Schwerlastkraftwagen, Dumper Gleisförderung Bandförderung Flüssigkeitsförderung Schneckenförderung
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_4, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
4.1 LKW, SKW, Dumper Nutzleistung QN [fm3/h] eines Einzelfahrzeugs
VFSAE
QN
tU
[fm3/h]
u 60 u k 1 u k 2 u k 3 u K G
k1
DuM
[-]
k2
f3 u f5
[-]
k3
K1 u K 2
[-]
QN VFSAE tU D M K1 K2 f1; f2 f3 f4 f5 k1 k2 k3 KG
Nutzleistung des Einzelfahrzeugs Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE VFSAE,1 für Benutzung von öffentlichen Strassen VFSAE,2 für reinen Baustellenverkehr Umlaufzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen nicht massgebend Entleerungsgenauigkeitsfaktor Kippe = 1; Bahnwaggon = 0.8 nicht massgebend Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad
92
[fm3/h] [m3] [min] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Kontrolle: Muldeninhalt des Fahrzeugs VFSAE [m3]
Das maximal mögliche bzw. zulässige Ladevolumen darf die zulässige Nutzlast nicht überschreiten: VFSAE u M d VFSAE M US GN
GN US
[m3]
Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Füllfaktor Schüttdichte zulässige Nutzlast
[m3] [-] [t/m3] [t]
Theoretische Umlaufzeit tU [min]
Die theoretische Umlaufzeit eines Transportgeräts setzt sich zusammen aus der Beladezeit tL, der Fahrzeit voll tFv, der Entladezeit tE, der Fahrzeit leer tFl und der Wartezeit tW beim Füllen bzw. der Wagenwechselzeit tWZ am Ladegerät [5], [14]. tU tU tL tFv tE tFl tW tWZ
tL tFv tE tFl tW tWZ
[min]
Umlaufzeit des Fahrzeugs (theoretisch/ kurzzeitig) Beladezeit (theoretisch/ kurzzeitig) Fahrzeit voll Entladezeit Fahrzeit leer Wartezeiten beim Be- und Entladen Wagenwechselzeit
93
[min] [min] [min] [min] [min] [min] [min]
Theoretische Beladezeit tL [min]
Zur Bestimmung der theoretischen Beladezeit tL [min] gilt allgemein: tL =
VFSAE × ijT t S × VSAE × ijL 60
tL VFSAE MT VSAE ML tS
[min]
Beladezeit (theoretisch/ kurzzeitig) Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Füllfaktor Transportgerät Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Füllfaktor Ladegerät Spielzeit des Ladegeräts
[min] [m3] [-] [m3] [-] [s]
In dieser Formel zur Berechnung der theortischen Beladezeit ist jedoch nicht berücksichtigt, dass das Ladegerät während der Wagenwechselzeit die Zeit für einen weiteren Grabvorgang nutzen und dass das gefüllte Grabgefäss geleert werden kann, sobald das leere Fahrzeug bereitsteht. Somit ist bei der Berechnung der theoretischen Beladezeit eine Spielzeit weniger einzusetzen (tWZ § tS). tL = ( m
VFSAE × ijT t t - 1) × S = (m - 1) × S VSAE × ijL 60 60 Anzahl Schaufelfüllungen pro Fahrzeug
[min] [-]
Fahrzeit voll tFv / Fahrzeit leer tFl [min]
Bei der Berechnung der Fahrzeiten der Transportgeräte unterscheidet man zwischen den normalen LKW, die auch für den Strassenverkehr zugelassen sind, und den Dumpern sowie den sogenannten SKW (Schwerlastkraftwagen) mit meist wesentlich höherem Gesamtgewicht, die nur im nichtöffentlichen Baustellenbereich eingesetzt werden dürfen.
94
Die Strecke vom Belade- zum Entladeort muss in Teilstrecken mit verschiedenen Fahrbedingungen unterteilt werden. tF tF tFv tFl li,v li,l vi,v vi,l
t Fv t Fl
60 u l
¦ 1000 ui,vv
i, v
¦
60 u li,l
[min]
1000 u v i,l
Fahrzeit Fahrzeit voll Fahrzeit leer Teilstrecke i bei vollem Transportfahrzeug Teilstrecke i bei leerem Transportfahrzeug Durchschnittsgeschwindigkeit des vollen Transportfahrzeugs auf der Teilstrecke i Durchschnittsgeschwindigkeit des leeren Transportfahrzeugs auf der Teilstrecke i
[min] [min] [min] [m] [m] [km/h] [km/h]
Lastkraftwagen LKW
Bei den Lastkraftwagen können folgende Durchschnittsgeschwindigkeiten vi angenommen werden: Tabelle 4-1: Durchschnittsgeschwindigkeiten vi [km/h] für LKW auf verschiedenen Untergründen
Untergrund Auf Humusböden im Feld und Aushub Auf nicht befestigten Transportpisten und auf der Deponie Auf befestigten Transportpisten Auf öffentlichen Strassen (abhängig von Verkehrsaufkommen, Ortschaften, Überland usw.)
vi [km/h] 5 10 – 15 15 – 30 40 – 60
Bei Lastkraftwagen findet bei der Anwendung der Durchschnittsgeschwindigkeit keine Unterscheidung zwischen leerem und beladenem Zustand statt.
95
Schwerlastkraftwagen SKW
Schwerlastkraftwagen sind zur optimalen Ausnutzung der Motorleistung mit Drehmomentwandlern ausgerüstet. Die Umwandlung des Drehmoments erfolgt gemäss der jeweiligen Belastung. Der Motor läuft somit immer im günstigsten Leistungsbereich, da der Drehmomentwandler den Kraftbedarf selbsttätig steuert. Mittels Nomogrammen aus den Herstellerprospekten [7] kann die maximale Fahrgeschwindigkeit ermittelt werden. Diese Diagramme verlangen jedoch als Inputdaten die Steigung, den Rollwiderstand, die Länge der Fahrstrecke und den Fahrzeugtyp. Der Rollwiderstandsbeiwert wR (Tabelle 8-13) resultiert aus der Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn. Er wird zur Steigung addiert, und mittels des Bruttogewichts (beladen oder leer) des Schwerlastkraftwagens wird die Felgenzugkraft ermittelt. Somit kann aus der Zugkraftkurve die maximale Geschwindigkeit herausgelesen werden. Da sich jedoch beim Anfahren und Bremsen die Geschwindigkeit reduziert, muss ein Geschwindigkeitskorrekturfaktor kG [-] berücksichtigt werden. Durchschnittsgeschwindigkeit vi [km/h] des leeren/vollen SKW v i = v i,max u k G vi vi,max kG
[km/h]
Durchschnittsgeschwindigkeit des leeren/vollen SKW [km/h] Maximale Geschwindigkeit des leeren/vollen Trans- [km/h] portfahrzeugs (z.B. [7]) Geschwindigkeitskorrekturfaktor (Tabelle 4-2) [-]
Tabelle 4-2: Geschwindigkeitskorrekturfaktor kG [5]
Streckenabschnittslänge li [m] 0 – 100 100 – 250 250 – 500 500 – 800 800 – 1200 1200 und mehr
Geschwindigkeitskorrekturfaktor kG[-] stehender Start 0.20 – 0.50 0.30 – 0.60 0.50 – 0.65 0.60 – 0.70 0.65 – 0.75 0.70 – 0.85
96
fliegender Start 0.50 0.60 – 0.75 0.70 – 0.80 0.75 – 0.80 0.80 – 0.85 0.80 – 0.90
Entladezeit tE [min] Bodenschütter Hinterkipper
0.3 1.0
Wagenwechselzeit tWZ [min] Vorstossen, Kreisverkehr Rückstossen
0 0.4 – 0.6
Anzahl der erforderlichen Fahrzeuge n [-] Die Anzahl der erforderlichen Fahrzeuge lässt sich aus der Umlaufzeit tU des Fahrzeugs, der Wagenfolgezeit tf und dem Ladevolumen VFSAE der LKW/SKW bestimmen. Zur Bestimmung der passenden Umlaufzeit ist die Betrachtung der möglichen Transportketten, die im Folgenden erläutert sind, erforderlich. Theoretische Wagenfolgezeit tf [min] Die theortische Wagenfolgezeit ist die Verweilzeit des Fahrzeugs am Beladeort. Sie beinhaltet die Beladezeit und die Wagenwechselzeit (zeitlicher Abstand der Transportfahrzeuge am Ladegerät). tf tf tL tWZ m tS
t L t WZ
(m - 1) u
tS t WZ 60
[min]
Wagenfolgezeit (theoretisch/ kurzzeitig) Beladezeit (theoretisch/ kurzzeitig) Wagenwechselzeit Anzahl Schaufelfüllungen pro Fahrzeug Spielzeit des Ladegeräts
97
[min] [min] [min] [-] [s]
Transportketten im Erdbau Fall 1: Beim Kreisverkehr mit twz d ts gilt: tf
m u tS 60
[min]
Fall 2: Beim Rückstossverkehr mit twz > ts gilt: tf
m u tS 't 60
[min]
't
tS t WZ ~ 0.5 1.0 min 60
[min]
somit gilt für die theoretische Wagenfolgezeit tf: tf
® tf tf ¯
't
m u tS t t WZ d S t f 60 60
t ½ m u tS 't t WZ ! S ¾ [min] 60 60 ¿
Differenz aus Wagenwechselzeit tWZ und Spielzeit tS 't tWZ tS/60 mit tWZ ! tS
[min]
Theoretische Gesamtnutzleistung QTNeff [fm3/h] der Transportkette Q TNeff
3 VFSAE u 60 u ki u KG tf i 1
[fm3/h]
Transportfahrzeugleistung bei einer Fahrzeugfolgezeit tf mit n eingesetzten Transportfahrzeugen pro Ladegerät Anzahl der Fahrten aller Transportfahrzeuge nFahrten [-]
nFahrten nFahrten V VFSAE D M
V VFSAE u D u M
[-]
Anzahl der Fahrten aller Transportfahrzeuge Gesamtaushubvolumen Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Lösefaktor Füllfaktor 98
[-] [fm3] [m3] [fm3/lm3] [-]
Transportketten im Erdbau – Nutzleistung (Langzeitleistung) Totaler Leistungsreduktionskoeffizient (Langzeitleistung): KLTotal (k 2 u k 3 u KG )L KTTotal
(k 2 u k 3 u KG )T
KLTotal
Totaler Leistungsreduktionskoeffizient Ladegerät
[-]
KTTotal
Totaler Leistungsreduktionskoeffizient Transportgerät Leistungseinflussfaktor Ladegerät Betriebsbeiwert Ladegerät Geräteausnutzungsgrad Ladegerät Leistungseinflussfaktor Transportgerät Betriebsbeiwert Transportgerät Geräteausnutzungsgrad Transportgerät Ladegerät Transportgerät
[-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
k2,L k3,L KG,L k2,T k3,T KG,T L T
Nutzbare Fahrzeugladezeit tL,N und Fahrzeugfolgezeit tf,N [min]
Fall 1: twz d ts, Kreisverkehr tL,N = (
VFSAE × ijT t 1 t 1 - 1)× S × L = (m - 1)× S × L VSAE × ijL 60 ȘTotal 60 ȘTotal
[min]
t f ,N
(
m u tS tS 1 )u L t WZ 60 60 KTotal
[min]
'tN
t S 1 u t WZ | 0 60 KLTotal
[min]
Daraus folgt: t f ,N
m u tS 1 u L 60 KTotal
[min]
99
tL,N VFSAE MT VSAE ML m tf,N tS tWZ ' tN
Beladezeit (Langzeitleistung) Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Füllfaktor Transportgerät Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Füllfaktor Ladegerät Anzahl Schaufelfüllungen pro Fahrzeug Wagenfolgezeit (Langzeitleistung) Spielzeit des Ladegeräts Wagenwechselzeit (Langzeitleistung) Differenz aus Wagenwechselzeit tWZ und Spielzeit tS (Langzeitleistung)
Ladegerät
[min] [m3] [-] [m3] [-] [-] [min] [s] [min] [min]
Kippe
Fahrzeug
lm Bild 4-1: Idealfall einer Transportkette – Kreisverkehr [5]
Ladegerät Warteschlange
Kippe
tw
Fahrzeuge
lm Bild 4-2: Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange – Kreisverkehr [5]
100
Fall 2: twz ! ts, Rückstossverkehr tL,N
t f,N 'tN
(
(m - 1) u t S 1 u L 60 KTotal
[min]
m u tS tS 1 )u L t WZ 60 KTotal
[min]
tS 1 u t WZ 60 KLTotal
[min]
Daraus folgt t f ,N
m u tS 1 u L 't 60 KTotal
[min]
't 0.5 – 1 min Ladegerät
Kippe
twz
Fahrzeuge
lm Bild 4-3: Idealfall einer Transportkette – Rückstossverkehr Ladegerät Warteschlange twz
Kippe
tw
Fahrzeuge
lm
Bild 4-4: Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange – Rückstossverkehr
101
Zusammengefasst gilt (alle Zeiten vereinheitlicht, z.B. auf Minuten):
t f,N
m u tS 1 u L 60 KTotal
t f,N ° ° ° ® t f,N ° ° t f,N °¯
tS 1 ½ u L ° 60 KTotal ° ° ¾ t 1 ° ° ! S u L 60 KTotal ° ¿
t WZ d
m u tS 1 u L 't t WZ 60 KTotal
[min]
Damit eine optimale Abstimmung und Auslastung zwischen Lade- und Transportfahrzeug erreicht wird, sollte die Fahrzeugwechselzeit tWZ d tS/60 u
1 KLTotal
sein. Die Wartezeit tW sollte möglichst gegen null gehen, ist aber praktisch nicht vermeidbar. Die Wartezeit geht in die Umlaufzeit der einzelnen Fahrzeuge ein. Umlaufzeit tU,N [min]
tU,N
tL KLTotal
Wird (tW) t U,N tU,N tf vji li tE
( t W t WZ
§ l l 60 u ¦¨ i i 1000 i ¨© v voll i v leeri
· ¸ tE ) 1 [min] ¸ KTTotal ¹
0, so gilt:
tf L KTotal
(
§ l l 60 u ¦¨ i i ¨ 1000 i © v voll i v leeri
· ¸ tE ) 1 ¸ KTTotal ¹
Umlaufzeit des Fahrzeugs (Langzeitleistung) Wagenfolgezeit (theoretisch) Geschwindigkeit mit j = { j~ j = voll; j = leer} im Streckenabschnitt i Streckenabschnitt i Entladezeit (theoretisch)
102
[min] [min] [min] [km/h] [m] [min]
Mindestanzahl der Transportfahrzeuge n [-] pro Ladegerät
Für die Berechnung der Mindestanzahl der Transportfahrzeuge pro Ladegerät bieten sich zwei Berechnungsmethoden an. Methode 1 setzt die effektiven Leistungen ins Verhältnis, Methode 2 setzt die Umlaufzeit zur Wagenfolgezeit ins Verhältnis. Methode 1: Mindestanzahl Transportgeräte für Langzeitleistung: n n QL,N QT,N L T
QL,N
[-]
Q T,N Anzahl der erforderlichen Transportgeräte Nutzleistung Ladegerät (Langzeitleistung) Nutzleistung Transportgerät (Langzeitleistung) Ladegerät Transportgerät
[-] [fm3/h] [fm3/h] [-] [-]
Methode 2: Mindestanzahl Transportgeräte für Langzeitleistung: Anzahl der Ladeschaufeln pro Transportgerät: m m MT,1 MT,2
T VFSAE V T ,1 u MT ,1 ,2 u MT ,2 FSAE L L VSAE u ML VSAE u ML
[-]
Anzahl der Ladeschaufeln pro Transportgerät Füllfaktor Strasse Füllfaktor Baustelle
[-] [-] [-]
Reale durchschnittliche Fahrzeugfolgezeit bzw. Ladezeit pro Transportgerät (Langzeitleistung):
t f,N
t f,N ° °° ® t f,N ° ° t f,N ¯°
tf KLTotal mu
m u t S,N
tS L KTotal
't KTTotal
tS KLTotal
tS (k 2 u k 3 u KG )L
½ ° °° ¾ ° 't tS ° mu (k 2 u k 3 u KG )L (k 2 u k 3 u KG )T ¿°
mu
mu
[min]
103
Reale durchschnittliche Umlaufzeit (Langzeitleistung): tf L KTotal
tU,N
( t FV t E t FL t WZ )
1 KTTotal
[min]
KLTotal
Totaler Leistungsreduktionskoeffizient Ladegerät
[-]
KTTotal
Totaler Leistungsreduktionskoeffizient Transportgerät Leistungseinflussfaktor Ladegerät Betriebsbeiwert Ladegerät Geräteausnutzungsgrad Ladegerät Leistungseinflussfaktor Transportgerät Betriebsbeiwert Transportgerät Geräteausnutzungsgrad Transportgerät Ladegerät Transportgerät
[-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
k2,L k3,L KG,L k2,T k3,T KG,T L T
Mindestanzahl Transportgeräte pro Ladegerät (Langzeitdurchschnitt): n
n tU,N tf,N tf tFv tE tFl tWZ
t U,N t f ,N
1
KLTotal ( t FV t E t FL t WZ ) KTTotal u t f
Anzahl Fahrzeuge pro Ladegerät Umlaufzeit des Fahrzeugs (Langzeitleistung) Wagenfolgezeit (Langzeitleistung) Wagenfolgezeit (theoretisch) Fahrzeit voll Entladezeit Fahrzeit leer Wagenwechselzeit
104
[-]
[-] [min] [min] [min] [min] [min] [min] [min]
Leistung [m3/h] LKW
600 A
500 400 300
e Th
200
isc et or
he
Ladegerät
g un i st Le
Ladegerät - LKW
Praktische Leistung aufgrund von schlecht abgestimmten Umlaufzeiten
100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Anzahl n der LKW
Bild 4-5: Leistung beim Ladegerät ņ LKW-System [30]
Planierraupen-Gesamtleistung
¦ QP,N,i
[lm3/h] zur Einebnung des Ma-
i
terials auf Einbaustrecke oder Kippe:
¦ QP,N,i t i
QP,N i QT,N D n nL
Q T,N D
[lm3/h]
u n u nL
Nutzleistung Planiergerät (Langzeitleistung) Anzahl Planiergeräte Nutzleistung Transportgerät (Langzeitleistung) Lösefaktor Anzahl Transportgeräte pro Ladegerät Anzahl Ladegeräte
[lm3/h] [-] [fm3/h] [fm3/lm3] [-] [-]
Anzahl der Planierraupen nPlanierraupen [-]
nPlanierraupen t nPlanierraupen
Q T,N u n u nL D u QP,N
[-]
Anzahl der Planierraupen
105
[-]
Die Prozesskettenleistung von Ladegerät-Transportgerät-Planierraupen-Betrieb: QProz,N
QProz,N QProz,N QL,N u nL t Q erf,N ½ ° ° ® QProz,N d Q T,N u n u nL ¾ ° Q ° Q d u D ¦ P,N,i Proz,N ¯ ¿
Qerf,N d QProz,N QL,N
[fm3/h]
Q L,N u nL d QT,N u n u nL d 6QP,N,i uD d Q T,N un
QL,N Nutzleistung Ladegerät (Langzeitleistung) Erforderliche Nutzleistung Qerf,N (Langzeitleistung) QProz,N Nutzleistung Prozesskette QT,N Nutzleistung Transportgerät (Langzeitleistung) Nutzleistung Planiergerät (Langzeitleistung) QP,N n Anzahl Transportgeräte pro Ladegerät nL Anzahl Ladegeräte Leitgerät { Ladegerät { Qmin Q L,N
106
[fm3/h] [fm3/h] [fm3/h] [fm3/h] [lm3/h] [-] [-]
Überschlägige Ermittlung der Antriebsleistung der Transportgeräte Fahrbedingung für motorgetriebene Transportfahrzeuge Übertragbare Zugkraft ZR [kN] [3]
ZR d P u GR
[kN]
ZR P GR
[kN] [-] [kN]
übertragbare Zugkraft Bodenkraftschlussbeiwert Reibungsgewichtkraft auf Antriebsachse GR 9.81 u mL+EG Antriebsachse mL+EG Antriebsachse Last (L) und Eigenmasse (EG) auf der Antriebsachse
[t]
Motorzugkraft ZM [kN] [3]
PM u 3.6 / v
ZM
PM / c
ZM PM v c
Motorzugkraft Leistung des Motors Geschwindigkeit Geschwindigkeit
[kN] [kN] [kW] [km/h] [m/s]
Umrechnungsfaktoren: 1 kW 1 kp km/h
100 kpm/s 1/100 kN 1/3.6 m/s
Hakenzugkraft ZH [kN] [3]
ZH
ZM u Kges
[kN]
ZH | PM u 3.6 / v u Kges
[kN]
ZH
[kN]
Kges
Hakenzugkraft bzw. effektive Zugkraft zwischen Rad und Fahrbahn mechanischer Nutzungsgrad § 0.85 107
[-]
Fahrwiderstände Wi [kN] [3] Gesamtwiderstand W [kN]
W
WR WS
[kN]
W WR WS
Gesamtwiderstand (äusserer) Bahn-/Reibungswiderstand Steigungswiderstand
[kN] [kN] [kN]
Bahnwiderstand WR [kN]
WR
wr u mT u g
[kN]
wr mT g
Rollwiderstandsbeiwert Gesamtmasse des Fahrzeugs (m Erdbeschleunigung: 9.81
[-] [t] [m/s2]
mL mEG)
Steigungswiderstand WS [kN]
WS
ws u mT u g
[kN]
ws
% Steigung für 1.0 % Steigung: WS § 0.01 u m u g
[-] [kN]
(Schürfwiderstände bei Schürffahrzeugen sind gesondert zu berücksichtigen.) Berechnung der Anzugskraft
Die Anzugskraft des Transportgeräts muss das Fahrzeug von der Geschwindigkeit null auf die Geschwindigkeit v innerhalb der Strecke s beschleunigen. Die Anzugskraft muss zu den Widerstandskräften addiert werden, damit das Transportfahrzeug auch auf der Steigung anfahren kann.
108
End- bzw. Streckengeschwindigkeit v [m/s] v v
aut
[m/s]
2 u a u la
Erforderliche Beschleunigung a [m/s2] a
v2 2 u la
[m/s2]
Anzugskraft zur Beschleunigung des Transportfahrzeugs ZA [kN]
Z A t (mL mEG ) u a Z A t (mL mEG ) u ZA mL mEG v la a t
[kN] 2
v 2 u la
[kN]
Anzugskraft zur Beschleunigung des Transportfahrzeugs Lademasse Eigenmasse des Fahrzeugs Streckengeschwindigkeit Beschleunigungsstrecke Beschleunigung Beschleunigungszeit bis zur Geschwindigkeit v
[kN] [t] [t] [m/s] [m] [m/s2] [s]
Erforderliche Zugkraft Zerf [kN]
Zerf
W ZA
[kN]
Fahrbedingungen
ZR t ZH t Zerf ZH
ZM u Kges t Zerf
[kN] W ZA
[kN]
LKW LKW Fahrzeugwahl (PM; mLLKW ) EG Antriebsachse ; mEG ; mL
109
Daraus lässt sich folgern: Erforderliche Motorleistung PM [kW]
PM, erf
(W ZA) u v / Kges
[kW]
mit v in [m/s], ferner gilt 1 m/s
3.6 km/h und 1
kNu m = 1 kW s
Erforderliche Gewichtskraft GR [kN] auf die Antriebsachse (einschliesslich Ladung)
GR t Zerf / P
[kN]
Technisch mögliche/tatsächlich erreichbare Geschwindigkeit v [km/h]
vmögl
PM u Kges u3.6 / (G u (wr ws))
[km/h]
vtat
N1 u vmögl
[km/h]
N1 G
Geschwindigkeitsbeiwert [6], [7] Gesamtgewicht des Fahrzeuges
[-] [kN]
Fahrbedingungsbeiwerte Tabelle 4-3: Bodenkraftschlussbeiwert P [3]
Bodenart: Feld, trockener Boden trockener Asphalt, festgewalzter Schotter trockener Lehm und Ton, sonstiger Boden feuchter Lehm und Ton, loser Boden feuchter Asphalt, loser Feinsand lockerer Grobkies
110
Bodenkraftschlussbeiwert P [-] Luftreifen 0.90 0.80 0.70 0.50 0.40 0.30
Tabelle 4-4: Geschwindigkeitsbeiwert N1 [-] [3]
Länge der einfachen Fahrstrecke l [m] 150 300 600 900 1200 !1200
Geschwindigkeitsbeiwert N1 [-] 0.50 0.60 0.70 0.75 0.85 0.90
Tabelle 4-5: Rollwiderstandsbeiwert wr [-] [3]
Bodenart: rauher, trockener Boden unbefestigte, durchfeuchtete Wege halbfeste Erdwege loser Sand und Kies schlammige Fahrbahn, frisch aufgeschüttetes Gelände
111
Rollwiderstandsbeiwert wr [-] Luftreifen 0.020 0.075 0.050 0.100 0.100
4.2 Gleisförderung Die Berechnung der Gleisförderung [2], [14], [31] teilt sich in neun Abschnitte auf: 1. Transportabschnitte 2. Transportleistung des Zugs 3. Fahrwiderstände 4. Lokberechnung 5. Zugkraftkontrolle 6. Ermittlung der Bremsneigung 7. Ermittlung der Bremsausrüstung 8. Fahrzeitberechnung 9. Gleis
1. Transportabschnitte Die gesamte Transportstrecke wird in Abschnitte gleicher Fahrbedingungen unterteilt:
Beladestelle Teilstrecken i bei vollem Transportfahrzeug Entladestelle Teilstrecken i bei leerem Transportfahrzeug
lB liv lE lil
[m] [m] [m] [m]
Bei einspurigem Betrieb sollten entsprechend den Zugfolgen und der Zugdichte Ausweichstellen vorgesehen werden.
2. Transportleistung des Zugs [14] Wahl der Spurweite: Tabelle 4-6: Auswahlkriterien der Spurweite [14]
Schmalspur leicht schwer 600 mm 900 mm Wageninhalt Motorleistung der Lok Fahrgeschwindigkeit
[m3] [PS] [km/h]
Normalspur 1435 mm
0.75 – 2.00 2.00 – 5.00 15 – 100 40 – 90 90 – 250 100 – 2000 0 – 20 0 – 30 0 – 60 112
Wagengrösse [14]
Massgebend dafür ist im Wesentlichen der Beladevorgang: chargenweises Laden mit Löffel oder Schaufel Ladegefäss volumen VSAE 1 1 bis Wageninhal t VW100 4 6 kontinuierliches Beladen des ganzen Zugs, wobei auf verdeckte Wagenübergänge und langsames Nachrücken des Zugs zu achten ist
optimal wäre
Wagenzahl des Zugs
Ausgangslage
- gewünschte Nutzförderleistung QN [fm3/h] - Volumen eines Hubs der TBM VHub [fm3]
Ermittlung der Nutzladung eines Wagens VW [fm3]
VW VW VW100 D M
[fm3]
VW100 u D u M
[fm3] [m3] [fm3/lm3] [-]
Nutzladung eines Wagens Nenninhalt des Wagens Lösefaktor Füllfaktor
Nutzladung des gesamten Zugs VZug [fm3]
VZug VZug n VW
[fm3]
n u VW Nutzladung des gesamten Zugs Anzahl der Wagen Nutzladung eines Wagens
[fm3] [-] [fm3]
Beispiel: Die gesamte Nutzladung des Zugs sollte das Ausbruchmaterial eines ganzen TBM-Hubs aufnehmen können: VHub
[fm3]
VZug
113
Wagenmasse des gesamten Zugs mW [t]
Enthält die Förderstrecke Neigungen, so sollten zumindest der erste und der letzte Wagen mit einer Bremseinrichtung ausgerüstet sein. Dies wirkt sich auf die Masse des Gesamtzugs aus. mW mW n m'W m'Wb VW100 M US
(n - 2) u m' W 2 u m' Wb n u VW100 u M u US Gesamtwagenmasse des Zugs Anzahl der Wagen Masse des Wagens ohne Bremse Masse des Wagens mit Bremse Nenninhalt eines Wagens Füllfaktor Schüttdichte
[t] [t] [-] [t] [t] [m3] [-] [t/m3]
3. Fahrwiderstände [14] wm = wr wk r w s wm wr wk ws
[-]
Gesamtfahrwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert Kurvenwiderstandsbeiwert Steigwiderstandsbeiwert
[-] [-] [-] [-]
Steigwiderstandsbeiwert ws [-]
Die vorhandene Steigung [%] entspricht dem Steigwiderstandsbeiwert ws [-], z.B. 3 % Steigung entsprechen ws 0.03.
114
Gesamtfahrwiderstand der Wagen Wm(W) [kN]
Wm(W) w m( W ) Wm(W) wm(W) wr(W) wk(W) mW g
w m(W) u m W u g w r( W ) w k( W ) w s
[kN] [-]
Gesamtfahrwiderstand der Wagen Gesamtfahrwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert der Wagen Kurvenwiderstandsbeiwert der Wagen Gesamtwagenmasse des Zugs Erdbeschleunigung: 9.81
[kN] [-] [-] [-] [t] [m/s2]
Die Widerstandsbeiwerte beinhalten die gesamten Bewegungswiderstände des Rad-Schiene-Systems (Reibung Rad-Schiene und Rad-Achse).
4. Lokberechnung [14] Erforderliche Reibungszugkraft der Lok ZRL [kN]
ZRL t Wm(W) Wm(L) ZRL Wm(W) Wm(L)
[kN]
erforderliche Reibungszugkraft der Lok Gesamtfahrwiderstand der Wagen Fahrwiderstand der Lok
[kN] [kN] [kN]
Um jedoch den Fahrwiderstand der Lok ermitteln zu können, wird das Lokgewicht benötigt; deshalb wird in die Rechnung eingesetzt: Wm(W) | Wm(L)
[kN]
ZRL t 2 u Wm(L) Damit lässt sich die erforderliche Reibungsgewichtskraft der Lok GRL [kN] ermitteln:
GRL t GRL P
ZRL 2 u Wm(L ) t P P
[kN]
Reibungsgewichtskraft der Lok auf den Antriebsrädern [kN] Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene [-] 115
Übertragbare Zugkraft der Lok auf die Schienen:
ZRL mL
GRL u P
mL u g u P
[kN]
Masse der Lok (alle Räder = Antriebsräder)
[t]
Fahrwiderstand der Lok Wm(L) [kN]
W m( L ) Wm(L) wm(L) wr(L) wk(L) GRL
G RL u w m( L )
G RL u ( w r ( L ) w k ( L ) w s )
Fahrwiderstand der Lok Gesamtfahrwiderstandsbeiwert der Lok Rollwiderstandsbeiwert der Lok Kurvenwiderstandsbeiwert der Lok Reibungsgewichtskraft der Lok auf den Antriebsrädern
[kN] [kN] [-] [-] [-] [kN]
Die Widerstandsbeiwerte beinhalten die gesamten Bewegungswiderstände des Rad-Schiene-Systems (Reibung Rad-Schiene und RadAchse). Die entsprechenden Widerstandsbeiwerte müssen bei den Rollmaterialherstellern angefragt werden. Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene P [-] nass trocken Sand gestreut
0.050 – 0.100 0.100 – 0.150 0.200 – 0.250
Danach kann ein zweckmässiger Loktyp gewählt werden: Motorleistung Pmo Lokgewichtskraft/Lokmasse Reibungsgewichtskraft GRL Maschinenzugkraft ZM
[PS bzw. kW] GL [kN] / mL [t] [kN] [kN]
116
5. Zugkraftkontrolle Ermittlung des Fahrwiderstands der Lok Wm(L) [kN] [14] w m(L) u mL u g
Wm(L)
[kN]
mit mL u g t GRL
[kN]
Wm(L) wm(L) mL
[kN] [-] [t]
Fahrwiderstand der Lok Gesamtfahrwiderstandsbeiwert der Lok Masse der Lok
Das Lokgewicht ist dann grösser als das Reibungsgewicht der Antriebsräder, wenn nicht alle Räder gleichzeitig Antriebsräder sind. Gesamtfahrwiderstand des Zugs Wm [kN] [14]
W m(L) Wm(W)
Wm
[kN]
Somit ist der erforderliche Zugkraftanteil der Lok ZR zur Überwindung der Reibung:
Z R t Wm
[kN]
Erforderliche Anzugskraft des Zugs ZA [kN]
Z A t mL ¦ m wi u a
[kN]
2
mit mL mwi v la a
a
v 2 u la
[m/s2]
Masse der Lok Gesamtmasse des Wagens i (Eigenmasse und Lademasse) Streckengeschwindigkeit Beschleunigungsstrecke Beschleunigung
[t] [t] [m/s] [m] [m/s2]
Näherungsweise kann zur Bestimmung der erforderlichen Anzugskraft ZA folgende auf Erfahrung beruhende Beziehung verwendet werden [14]: Z A d 0.75 u ZRL
[kN]
Mit dieser Anzugskraft ZA ist ein kraftschlüssiges Anfahren der Lok auf einer geraden Rampe mit 1 ‰ Steigung noch möglich. 117
Erforderliche Gesamtzugkraft der Lok ZL [kN]
ZL
ZR Z A
[kN]
Achtung: Zur Ermittlung der Gesamtzugkraft der Lok ZL die obere Grenze der Gesamtwiderstände einsetzen. Antriebskraft der Lok ZAntrieb [kN] auf der Schiene
Z Antrieb ZAntrieb PM v KGes
PM u 3.6 u KGes v
[kN]
Antriebskraft der Lok, umgesetzt auf die Schiene Motorleistung Streckengeschwindigkeit Mechanischer Nutzungsgrad Motor-Schiene § 0.85
[kN] [kW] [km/h] [m/s2]
Die erforderliche Masse der Lok mL [t] zum Anfahren und zur Überwindung der Reibung ergibt sich aus: mL t P
ZL Pug
[t]
Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene
[-]
Bedingung zur Lokauswahl: ZRL ! ZAntrieb ! ZL
[kN]
Lokauswahl mit (PM; mL) Falls diese Forderungen nicht erfüllt sind, muss a) eine schwerere Lok b) eine kleinere Wagenzahl c) ein grösserer Kurvenradius d) eine flachere Steigung gewählt werden.
118
6. Ermittlung der Bremsneigung [14] Die günstigste Neigung für Talfahrt ergibt sich aus dem Beharrungszustand bei gleichförmiger Bewegung, d.h. wenn Zugkraft Bremskraft
0 0
Allgemein gilt für die günstigste Neigung, die so genannte Bremsneigung: ibr = w r(W) w k(W)
[-]
ibr wr(W) wk(W)
[-] [-] [-]
Bremsneigung Rollwiderstandsbeiwert der Wagen *) Kurvenwiderstandsbeiwert der Wagen *)
Diese Bremsneigung ist bei der Trassierung einer Strecke möglichst zu berücksichtigen. Es ist fahrdynamisch am günstigsten, die erforderlichen Gleisrampen mit "Bremsneigung" anzulegen. *) Achtung: Zur Ermittlung von Bremsneigung und Bremskraft die untere Grenze der Gesamtwiderstände einsetzen.
7. Ermittlung der Bremsausrüstung Erforderliche Bremskraft Br–erf [kN] des Zugs
B r erf
Bb Bi
[kN]
Bb
Verzögerungskraft, um den Zug von der Fahrgeschwindigkeit v innerhalb der Strecke lb in der Horizontalen zu stoppen überschüssige Gefällekraft
[kN]
Bi
119
[kN]
v2 2 u lb u i w r ,W
Bb
mL m W u b mL m W u
[kN]
Bi
g u mL u i w r ,L m W
[kN]
mL mW i wr,L
Masse der Lok Gesamtwagenmasse des Zugs maximales Gefälle Rollwiderstandsbeiwert der Lok (beim Bremsen untere Grenze) Rollwiderstandsbeiwert der Wagen (beim Bremsen untere Grenze) Bremsverzögerung Fahrgeschwindigkeit Bremsstrecke Erdbeschleunigung: 9.81
wr,W b v lb g
[t] [t] [-] [-] [-] [m/s2] [m/s] [m] [m/s2]
Mögliche Bremskraft Br–möglich [kN] des Zugs
g u mL r u m wtb u ȝ
Br möglich r mwtb P
[kN]
Anzahl der Wagen mit Bremse Gesamtmasse des Wagens mit Bremse (Eigenmasse und Lademasse) Bremskraftschlussbeiwert Rad-Schiene
[-] [t] [-]
Die erforderliche Anzahl r [-] von Wagen mit Bremse ergibt sich aus: Br möglich t Br erf
rt
1 g u m wtb
ª º § v2 · i u g ¸¸ mL u w r ,L m W u w r,W g « m L m W ¨¨ » © 2 u Ib ¹ « mL u g» « » P « » ¬« ¼»
Gültigkeitsbereich r
° r r ® °¯
a; a R ni a ni1 r a R r
ni1;
0; a N a ni r
120
½° ¾ ni °¿
8. Fahrzeitberechnung [14] Gesamtfahrzeit T [min]
T T L v 'ta 'tb
L u 60 't a 't b v
[min]
Gesamtfahrzeit Länge der Transportstrecke mittlere Streckengeschwindigkeit Anfahrzeitzuschlag Bremszeitzuschlag
[min] [km] [km/h] [min] [min]
mit
Geschwindigkeit v v PM GRL P
PM u KGes u 3.6 GRL u P
Fahrgeschwindigkeit Motorleistung Reibungsgewichtskraft der Lok (alle Räder = Antriebsräder) Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene
Anfahrzeitzuschlag 't a 'ta v aa
v 3.6 u 60 u a a
Anfahrzeitzuschlag Geschwindigkeit, auf die der Zug beschleunigt wird Anfahrbeschleunigung
Anfahrbeschleunigung a a |
Z Antrieb - Wm m
ZAntrieb Anfahrzugkraft/Antriebskraft der Lok Wm Gesamtfahrwiderstand m Masse des Zugs
121
[km/h] [km/h] [kW] [kN] [-]
[min] [min] [km/h] [m/s2]
[m/s2] [kN] [kN] [t]
Bremszeitzuschlag 't b 'tb lb v ab
2 u lb v
v 3,6 u 60 u a b
Bremszeitzuschlag Bremsstrecke Geschwindigkeit, bei der der Zug abgebremst wird Bremsverzögerung
[min] [min] [m] [km/h] [m/s2]
9. Gleis Dimensionierung der Schienen
Zur baubetrieblichen Vordimensionierung der Schienen, bei gewähltem Schwellenabstand, können aufgrund des für die Schienen zugelassenen Achsendrucks und der Spurweite die Schienenprofile gewählt werden. Tabelle 4-7: Daten verschiedener Profile [14], [32]
Zulässiger Achsdruck in [kN] bei Schwellenabstand [cm] 60 70 80 100
Profil nach DIN 5901
Masse [kg/m]
Spurweite [mm]
S 10 S 14 S 20 S 33 S 41 R 10 S 49
10.0 14.0 19.8 33.47 41.38 49.43
600 42.18 36.30 31.39 25.51 600 – 750 63.77 54.94 48.07 38.26 750 – 900 115.76 99.08 86.33 69.65 900 – 1435 – 228.57 200.12 159.90 900 – 1435 – 286.45 247.21 201.11 900 – 1435 – 351.20 308.03 245.25
122
4.3 Bandförderung Nutzleistung QN [lm3/h]
QN mit
[lm3/h]
A F u v u 3600 u fE u fM u f5 u KG Q0 f2
[lm3/h]
A F u v u 3600 fE u fM u f5
[-]
wird
QN QN Q0 AF v fE fM f5 KG
[lm3/h]
Q 0 u f2 u KG Nutzleistung (loses Material) Grundförderleistung (loses Material) theoretischer Füllquerschnitt des Förderbands Fördergeschwindigkeit Korrekturfaktor für die Bandneigung Korrekturfaktor für die Ungleichförmigkeit der Beschickung ( 0.5 – 1.0, abhängig vom Ladegerät) Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsfaktor
Tabelle 4-8: Bandsteigungsbereich M [°] [14]:
Feinkörniges Gut Grobkörniges Gut Rolliges Gut Steilförderband
Steigung M [°] 25 18 14 40
123
[lm3/h] [lm3/h] [m2] [m/s] [-] [-] [-] [-]
Bild 4-6: Korrekturfaktor fEEinfluss des Steigungswinkels auf den Fördergutstrom [14]
Tabelle 4-9: Optimale Bandbreite b zur maximalen Korngrösse [14]
maximale Korngrössen Bandbreite b bei Einzelkombei Gemisch [mm] ponenten [mm] [mm] 400 100 180 500 120 200 650 160 260 800 200 300 1000 250 380 1200 300 450 Tabelle 4-10: Bandgeschwindigkeit v [14]
v [m/s] Stückgut 1.0 – 2.0 Schüttgut 1.5 – 6.0 Staubgut 7.0 Spitzengeschwindigkeit für Laden von 8.0 – 12.0 erdfeuchtem, feinkörnigem Boden
124
Tabelle 4-11 Theoretischer Füllquerschnitt AF des Förderbandes [14], [33] Theoretische Füllquerschnitte für dreiteilig gemuldete Bänder [m2] Bandbreite SchüttB [mm] winkel 500 10° 15° 20°
20° 0.0167 0.0200 0.0238
25° 0.0188 0.0221 0.0256
Muldungswinkel 30° 35° 0.0205 0.0220 0.0237 0.0250 0.0270 0.0282
45° 0.0244 0.0268 0.0298
650
10° 15° 20°
0.0300 0.0360 0.0425
0.0336 0.0398 0.0460
0.0336 0.0424 0.0485
0.0394 0.0447 0.0505
0.0441 0.0487 0.0540
800
10° 15° 20°
0.0470 0.0570 0.0665
0.0525 0.0623 0.0720
0.0575 0.0665 0.0760
0.0620 0.0700 0.0790
0.0685 0.0756 0.0837
1000
10° 15° 20°
0.0750 0.0910 0.1070
0.0850 0.1000 0.1160
0.0925 0.1070 0.1220
0.0990 0.1130 0.1270
0.1095 0.1210 0.1340
1200
10° 15° 20°
0.1110 0.1325 0.1570
0.1240 0.1470 0.1700
0.1360 0.1570 0.1790
0.1460 0.1660 0.1870
0.1620 0.1780 0.1970
1400
10° 15° 20°
0.1530 0.1840 0.2170
0.1720 0.2020 0.2340
0.1870 0.2160 0.2470
0.2010 0.2280 0.2580
0.2220 0.2450 0.2710
1600
10° 15° 20°
0.2020 0.2430 0.2870
0.2260 0.2680 0.3140
0.2470 0.2860 0.3260
0.2650 0.3020 0.3400
0.2950 0.3260 0.3610
125
Antriebsleistung eines Bandes Grundförderleistung des Bandes Q 0 [t/h]
Gesamtkraft des Bandes FB [kN]
FR FV FA u J > 2 u m G mL u cos E mR @ u g u KB u L r m L 2 u m G u g u H
FB FR
FV H
L u sin E
FA aa / b
t ab
[kN] [kN] [m]
2 u mG mL mR u a a / b u L v
[kN]
[kN]
v2 2 u la / b
[m/s2]
mR
m Ro m Ru lo lu
[t/m]
Q0
Q 0 u UF
[t/h]
mL
Q0 3600 u v
[t]
FR FV FA mGo mGu mR mL mRo mRu lo lu KB E L H
mG mG
Reibungskraft des Bandes Steigungs-/Neigungskraft des Bandes Beschleunigungs-/Bremskraft des Bandes Masse des oberen Bandes Masse des unteren Bandes Masse der Laufrollen Masse des Förderguts
[kN] [kN] [kN] [t/m] [t/m] [t/m] [t/m]
Masse einer Laufrolle oben Masse einer Laufrolle unten Abstand der Laufrollen oben Abstand der Laufrollen unten Bandreibung an Rollen sowie Antriebs- und Umlenktrommel Neigung des Bandes Gesamtlänge des Bandes maximale Höhendifferenz des Bandes
[t] [t] [m] [m] [-]
126
[°] [m] [m]
J Q0 Q0 v aa/b la/b ta/b UF
Sicherheitsfaktor (ca. 30 % ԑ 1.3) Grundförderleistung des Bandes Grundförderlastleistung des Bandes Bandgeschwindigkeit Beschleunigung bzw. Verzögerung des Bandes Beschleunigungs- bzw. Bremsstrecke des Bandes Beschleunigungs- bzw. Bremszeit Dichte des losen Fördergutes
[-] [lm3/h] [t/h] [m/s] [m/s2] [m] [s] [t/lm3]
Die Antriebsleistung PA [kW] beträgt
PA
FB u v
[kW]
Motorleistung PM [kW] PM KM
PA KM
[kW]
Wirkungsgrad 0.8 bis 0.9
[-]
127
4.4 Flüssigkeitsförderung Bernoullische Gleichung für stationäre Bewegung mit Verlust in Rohrleitungen p1 Uug
vi Re j Oj
h V, j
p2
v 12 z1 2ug
Uug
v 22 z2 hV 2ug
[m]
Q 3600 u A i
[m/s]
v j u dj
[-]
Q ª « 2 u log «¬ Oj u
lj dj
u
ª log Re j 1.2 1 k j º º» u » « 2 .7 u Re j 3.71 d j » » «¬ ¼¼ vj
2
[-]
2
[m]
2ug 2
h Vö,k hV pi Uug v i2 2ug pi g U zi hV vi
]k u
vk 2ug
[m]
§ · ¨ ¦ h V, j ¦ h Vö,k ¸ u Kvisko ¨ ¸ k © j ¹
[m]
Druckhöhe am Punkt i der Rohrleitung
[m]
Geschwindigkeitshöhe am Punkt i der Rohrleitung
[m]
Druck am Punkt i in der Rohrleitung Erdbeschleunigung Rohdichte der Flüssigkeit geodätische Höhe des Punktes i der Rohrleitung Gesamtverlusthöhe zwischen Punkt 1 und 2 der Rohrleitung Fliessgeschwindigkeit im gefüllten Rohrquerschnitt am Punkt i
[kPa] [m/s2] [t/m3] [m] [m]
128
[m/s]
Q Ai Rej dj Q Oj kj hV,j lj vj hVö,k ]k vk Kvisko i, j, k
Fördermenge (QFF bei Feststoff-Flüssigkeitsförderung, QF bei Flüssigkeitsförderung) Querschnittsfläche des durchflossenen Rohrquerschnitts am Punkt i Reynoldszahl im Abschnitt j der Rohrleitung Durchmesser der Rohrleitung im Abschnitt j kinematische Viskosität der Flüssigkeit Widerstandsbeiwert im Abschnitt j der Rohrleitung Rauhigkeitswert der Rohrleitung im Abschnitt j Reibungsverlusthöhe im Abschnitt j mit gleicher Beschaffenheit der Rohrleitung Länge des Abschnitts j der Rohrleitung Fliessgeschwindigkeit im Abschnitt j der Rohrleitung Verlusthöhe durch örtliche Einbauten an Punkten k der Rohrleitung Verlustbeiwert für Einbauten, Querschnittsänderungen an den Punkten k der Rohrleitung Fliessgeschwindigkeit direkt hinter den Einbauten an den Punkten k der Rohrleitung Viskositätsfaktor W (Wasser: Kvisko 1.0 ; Bentonit: KBvisko 1.1) Orts- bzw. Abschnittsbezeichungen entlang der Rohrleitung
[m3/h] [m2] [-] [m] [m2/s] [-] [mm] [m] [m] [m/s] [m] [-] [m/s] [-] [-]
Bestimmung des Widerstandbeiwerts Oj über einen bestimmten Rohrabschnitt j Die Rohrleitung wird in Teile gleicher Beschaffenheit eingeteilt. Zu beachten sind die absolute Rauheit des Rohres kj sowie der Durchmesser dj. Durch Bestimmung von Rej und des Verhältnisses kj / dj kann Oj für die Rohrleitungsabschnitte j aus Bild 4-7 entnommen werden. Dies geschieht durch das geradlinige Verbinden der Werte Rej und kj / dj im Diagramm. Oj kann als Schnittpunkt der Linie Rej-kj / dj mit dem Graphen O abgelesen werden.
129
Tabelle 4-12: Kinematische Viskosität Q [m2/s] von Wasser nach [35]
Temperatur [°C] 0 10 20 30 40 50 60 100
Kinematische Viskosität Q[m2/s] 1.78 u 10-6 1.30 u 10-6 1.00 u 10-6 8.06 u 10-7 6.57 u10-7 5.50 u 10-7 4.78 u 10-7 2.94 u 10-7
Tabelle 4-13: Rauhigkeitswerte k [mm] für Rohre [36]
Rohrwerkstoff gezogenen Rohre aus Kupfer und Messing, Kunststoffen, Glas Gummidruckschlauch nahtlose Stahlrohre längsgeschweisste Stahlrohre Stahlrohr nach längerer Benützung gusseiserne Rohre
Zustand der Rohrwand technisch glatt
Rauhigkeitswert k [mm] 0.0013 – 0.0015
glatt
0.0016
neu, Walzhaut neu, gebeizt neu, verzinkt neu, Walzhaut neu, bituminiert neu, galvanisiert mässig verrostet bzw. leicht verkrustet stark verkrustet neu mit Gusshaut neu bituminiert leicht angerostet verkrustet
130
0.02 0.03 0.07 0.04 0.01
– 0.06 – 0.04 – 0.16 – 0.1 – 0.05 0.008
0.15
– 0.2
bis 0.2 0.1 0.5 1.5
2.5 – 0.6 – 0.13 – 1.5 –4
Bild 4-7: Nomogramm zur Bestimmung des Widerstandsbeiwerts Oj nach [34], [37]
Nomogramm zur Bestimmung von Oj [-] bei bekannter Reynoldszahl Re und bekanntem Verhältnis Rohrrauhigkeit k/Rohrdurchmesser d 131
Bestimmen von lokalen Druckverlusten in Rohrleitungen Eintrittsverluste ]E [-] Tabelle 4-14: Verlustbeiwerte ]E [-] für Einlauf aus offenem Becken in ein Rohr [38]
Beschreibung
Verlustbeiwert ]E[-]
dünnwandiges Rohr, aus einer senkrechten Wand herausragend nicht erweiterter Einlauf mit rechtwinkligen Kanten nicht erweiterer Einlauf mit geringer Kantenausrundung gut ausgebildete Einlauftrompete mit stark ausgerundeten Kanten, ggf. mit günstig geformtem Zwischenpfeiler
0.60 – 1.30 § 0.50 § 0.25 0.06 – 0.10
Verlustbeiwerte ]RÄ [-] für Richtungsänderungen Verlustbeiwerte ]KK [-] für glatte Kreiskrümmer
Bild 4-8: Kreiskrümmer [38]
132
Tabelle 4-15: Verlustbeiwerte ]KK [-] für Kreiskrümmer [38]
]KK [-] 2 3 r/d 5 10
15 0.030 0.030 0.030 0.030
22.5 0.045 0.045 0.045 0.045
Umlenkwinkel D [°] 30 45 60 0.060 0.090 0.120 0.055 0.080 0.100 0.050 0.070 0.080 0.050 0.070 0.070
90 0.140 0.130 0.110 0.110
Verlustbeiwerte ]K [-] für Kreisrohr-Kniestücke
Q
d
D d
Q
Bild 4-9: Kreisrohr-Kniestück [38] Tabelle 4-16: Verlustbeiwerte]K [-] für Kreisrohr-Kniestücke [39]
]K [-] Wandung
glatt rauh
10 0.034 0.044
15 0.042 0.062
Umlenkwinkel D [°] 22.5 30 45 0.066 0.130 0.236 0.154 0.165 0.320
133
60 0.471 0.684
90 1.129 1.265
Verlustbeiwerte ]QÄ [-] für Querschnittsänderung
Bild 4-10: Querschnittsänderung [38]
] QÄ ]QÄ c A2 A1
A2 · § c u ¨1 ¸ A1 ¹ ©
2
[-]
Verlustbeiwert für Querschnittsänderungen Formbeiwert Flächenverhältnis Austritts- zu Eingangsrohrquerschnitt
[-] [-] [-]
Tabelle 4-17: Formbeiwerte für Querschnittsänderungen nach [38], [40]
Beschreibung konische Erweiterung plötzliche Erweiterung
Aufweitungs-/ Verengungswinkel D[°] 8 t 30
konische Verengung
d 30
plötzliche Verengung
t 30
Formbeiwert c [-] 0.15 – 0.20 1.00 – 1.20 vernachlässigbar klein 0.40 – 0.50
Austrittsverlust ]A [-] Bei Austritt an die Luft ist der Austrittsverlust ]A gleich null. Für die Ermittlung der örtlichen Verlusthöhen werden folgende Fliessgeschwindigkeiten eingesetzt: - für Eintrittsverluste ]E Becken-Rohr die Geschwindigkeit v2 im Rohr - für Richtungsänderungsverluste ]KK und ]K die Geschwindigkeit v2 am Krümmer bzw. Knie - für Querschnittsänderungsverluste ]QÄ die Geschwindigkeit v2 direkt hinter der Querschnittsänderung 134
Manometrische Förderhöhe der Pumpe Die manometrische Förderhöhe dient zur Dimensionierung der Pumpleistung. Sie beinhaltet die Gesamtförderhöhe, welche die Pumpe im Saug- und Druckleitungsbereich überwinden muss. Hierzu ist es erforderlich, zwei Fälle zu unterscheiden: 1. Pumpe mit Saugleitung, d.h. die Pumpe ist über dem tiefsten Wasserspiegel aufgestellt (Bild 4-11)
hD,Verl
hV,D1
Hman hgeod
Bild 4-11: Prinzipdrucklinie Fall 1 – Pumpe mit Saugleitung
135
hS
hS,Verl
hV,S
hV,Pe + hVö,i
hV,E
hS,geod
hD,geod
hD
2g
hV,D2 2 vD
hVö,i hV,Pa+ hVö,i
2. Pumpe ohne Saugleitung mit Zulaufdruck, d.h. die Pumpe ist unter dem tiefsten Wasserspiegel aufgestellt (Bild 4-12).
hS,Verl hD,Verl hS hD
Hydraulische Verlusthöhe an der Saugseite Hydraulische Verlusthöhe an der Druckseite Hydraulische Höhe an der Saugseite Hydraulische Höhe an der Druckseite
[m] [m] [m] [m]
Bild 4-12: Prinzipdrucklinie Fall 2 – Pumpe mit Zulaufdruck
Durchflussmenge Q [m3/s]
Q Q AS AD vS vD
vS u AS
vD u AD
[m3/s]
Fördermenge der Pumpe (QFF bei FeststoffFlüssigkeitsförderung, QF bei Flüssigkeitsförderung) Querschnitt der Saugleitung Querschnitt der Druckleitung Fliessgeschwindigkeit in der Saugleitung Fliessgeschwindigkeit in der Druckleitung 136
[m3/s] [m2] [m2] [m/s] [m/s]
Manometrische Förderhöhe Hman [m]
Hman hS hD hD hD, verl hD,geod
[m]
h S, verl h S,geod
[m]
hS
h D , geod r h S , geod
h geod h V, A
[m] [m]
v D2 2u g
Hman hS hD
[m]
Manometrische Förderhöhe der Pumpe Hydraulische Höhe an der Saugseite Hydraulische Höhe an der Druckseite
[m] [m] [m]
Fall 1:
Hman
h V,E h V,S h V,Pe hS,geod hD,geod h V,Pa h V,D h V, A ¦ h Vö,i i
h geod h V,S lS , k, Re h V,D lD , k, Re hgeod
· v S2 § ¨¨ ] E ] Pe ¦ ] Si ¸¸ 2ug© ¹ i
· v D2 § ¨¨1 ] Pa ¦ ] Di ¸¸ 2ug© ¹ i
[m]
hD,geod hS,geod
[m]
Fall 2:
Hman
h V,E h V,S h V,Pe h geod h V,Pa h V,D h V, A ¦ h Vö,i i
h geod h V,S lS , k, Re h V,D lD , k, Re · v D2 § ¨¨1 ] Pa ¦ ] Di ¸¸ 2ug© ¹ i hD,geod h S,geod
h geod
v S2 § · ¨ ] E ] Pe ¦ ] Si ¸¸ ¨ 2ug© ¹ i [m] [m]
137
hV,E hV,S hV,Pe hS,geod hD,geod hV,Pa hgeod hV,D hV,A hVö,i lS lD vS vD k Re ]E ]Pe ]Pa ¦ ] Di i
¦ ] Si i
Druckhöhenverlust beim Übergang Saugbecken zu Saugleitung Reibungshöhenverlust entlang der Saugleitung Einlaufverlust an der Pumpe Geodätische Saughöhe – Höhendifferenz zwischen tiefstem Wasserspiegel und Pumpenachse Geodätische Druckhöhe – Höhendifferenz zwischen Pumpenachse und höchstem Waserspiegel Auslaufverlust an der Pumpe Gesamtgeodätische Höhe = Geodätische Saug- und Druckhöhe Reibungshöhenverlust entlang der Druckleitung Geschwindigkeitshöhe am Auslauf in Abhängigkeit von der Auslaufgeschwindigkeit Lokale Verluste in der Leitung (durch Krümmer etc.) Länge der Saugleitung Länge der Druckleitung Fliessgeschwindigkeit auf der Saugseite Fliessgeschwindigkeit auf der Druckseite Rauhigkeitswert für Rohre Reynoldszahl Einlaufverlustbeiwert vom Becken in die Saugleitung Einlaufverlustbeiwert an der Pumpe Auslaufverlustbeiwert an der Pumpe Summe der Verlustbeiwerte für Einbauten, Querschnittsänderungen an den Punkten i der Rohrleitung auf der Druckseite Summe der Verlustbeiwerte für Einbauten, Querschnittsänderungen an den Punkten i der Rohrleitung auf der Saugseite
[m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m/s] [m/s] [mm] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Im Fall eines nicht freien Austritts ist der Druck am Ende der Leitung nicht null. In diesem Fall muss in obiger Gleichung die pD, A berücksichtigt werden. Druckhöhe hD, A JF Steht die Zulaufseite einer Pumpe unter Druck, wie z.B. die Druckkammer eines Hydroschildes, so erhöht sich die Zulaufhöhe zur Pumpenp S,E . Allerdings wird man oft den Zulaufdruck einer achse um hS,E JF 138
Druckkammer zur sicheren Leistungsdimensionierung nicht berücksichtigen, um im Notfall bei Abfallen des Drucks auch die drucklose Kammer auszupumpen. JF
spezifisches Gewicht der Flüssigkeit
[kN/m3]
Flüssigkeits-Feststoff-Gemische Handelt es sich bei dem Fördermedium nicht um Wasser sondern um ein Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch, so ist die Dichte höher:
UFF
PFF P u U0 §¨ 1 FF ·¸ UF 100 100 © ¹
PFF
V0 u 100 VF
UFF PFF V0 VF Q0 QF U0 UF UW
Q0 u 100 QF
[t/m3]
UFF UF u 100 U0 UF
Rohdichte des Flüssigkeits-Feststoff-Gemischs Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration Feststoffvolumen Volumen der unbeladenen Förderflüssigkeit Feststofffördermenge (Grundabbauleistung) Fördermenge der unbeladenen Förderflüssigkeit Rohdichte des Feststoffs über Wasser (natürliche Lagerung ohne Auftrieb) Rohdichte der Förderflüssigkeit ohne Feststoffe (WasserUF 1; Bentonitsuspension siehe Bild 4-13) Rohdichte von Wasser
[Vol.-%] [t/m3] [Vol.-%] [fm3] [m3] [fm3/h] [m3/h] [t/m3] [t/m3] [t/m3]
Die Grenzgrösse UFF = 1.4 - 1.5 t/m3 ist bei Kreiselpumpen zu beachten.
139
Manometrische Förderhöhe HFF man [m] bei Flüssigkeits-FeststoffGemischen
HFF man
§U · Hman u ¨¨ FF ¸¸ © UW ¹
[m]
Dichte von Förderflüssigkeiten Im Baubetrieb werden als Fördermedium neben Wasser 3 UF UW 1.0 t/m auch Bentonitsuspensionen verwendet, so z.B. bei Hydroschilden (Bild 4-13). 1.0500 1.0450 1.0400 1.0350 Dichte 3 1.0300 [t/m ] F 1.0250 1.0200 1.0150 1.0100 1.0050 1
2
3
4
5 6 7 Konzentration cBentonit [Gew.-%]
8
9
Bild 4-13: Dichteverlauf der Bentonitsuspension bei verschiedenen Bentonit-Wasser-Konzentrationen [41]
140
Kreiselpumpen: Überprüfung der Pumpeinrichtung Erforderliche Saughöhe der Pumpe hS,erf [m] hS,erf hS,erf hS,geod hS,Verl v S2 2ug UFF
UW
2 § · ¨ hS,geod hS,Verl v S ¸ u UFF ¨ 2 u g ¸¹ U w ©
[m]
erforderliche Saughöhe [m] geodätische Saughöhe (entspricht der Höhendiffe- [m] renz Unterwasserspiegel – Pumpenachse) Gesamtverlust der Saugleitung [m] (Reibungungsverluste über Saugleitungslänge, Krümmung, Querschnittsänderung, Einbauten etc.) Geschwindigkeitshöhe in der Saugleitung
[m]
Rohdichte des Feststoff-FörderflüssigkeitsGemischs Rohdichte von Wasser
[t/m3] [t/m3]
Die erforderliche Saughöhe hS,erf muss mit den Herstellerangaben hS,Gerät (aus der Pumpenkennlinie für die Saughöhe) verglichen werden. Es muss gelten: hS,erf d hS,Gerät Der Atmosphärendruck (10.33 m Wassersäule bei N.N.) stellt die physikalisch bedingte Grenze der idealen Saughöhe bei einem absoluten Vakuum am Saugstutzen der Pumpe dar. Die Kreiselpumpe baut am Saugstutzen einen technischen Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck auf. Dieser Druckunterschied entspricht der maximalen technisch hS,Gerät und liegt je nach Qualität der erreichbaren Saughöhe hS,max Kreiselpumpe sowie Temperatur des Mediums und Drehzahl zwischen 6 und 9 mWs [42].
141
Überprüfung auf Kavitation bei Flüssigkeitsförderung Zulässige Saughöhe hS,zul [m] hS, zul
HB HD 'h
hS,zul HB
[m]
zulässige Saughöhe Aussenatmosphärendruck oder Druck über der Flüssigkeit an der Saugseite Dampfdruck der Flüssigkeit bei der am Pumpeneintritt herrschenden Temperatur temperaturabhängiger Verlust der Saugfähigkeit der Kreiselpumpe, abhängig von der konstruktiven Gestaltung der Pumpe sowie Drehzahl (siehe Unterlagen der Pumpenhersteller)
HD 'h
[m] [m] [m] [m]
Für kavitationsfreie Strömungen muss gelten: hS,erf d hS,zul
hS,Gerät
Tabelle 4-18: Dampfdruck von Wasser HD [m] nach [43]
Temperatur [°C]
Dampfdruck im Sättigungszustand HD [m]
5 10 20 30 40 60 80
0.0889 0.1251 0.2383 0.4325 0.7520 2.0310 4.8290
Angaben zur Ermittlung von 'h können maschinenspezifisch aus [42] entnommen werden.
142
Überprüfung der notwendigen Fliessgeschwindigkeit für Feststofftransport [44] Für den Transport von Feststoffen in einer Förderflüssigkeit müssen die zu fördernden Teilchen in einem schwebenden Zustand gehalten werden. Dies geschieht unter der Beachtung der kritischen Fliessgeschwindigkeit vkrit [m/s] für einen schwebenden Transport: v krit
Frkrit u 2 u g u d u
U0 UF UF
[m/s]
Bedingung in den Saug- und Förderleitungen: (vS; vD) ! vkrit
[m/s]
vkrit
[m/s]
Frkrit g d U0 UF vS vD
kritische Fliessgeschwindigkeit für schwebenden Transport, um Absetzungen zu vermeiden Froud’sche Zahl für die kritische Geschwindigkeit Erdbeschleunigung: 9.81 Rohrdurchmesser Rohdichte des Feststoffs (ohne Porenraum) Rohdichte der Förderflüssigkeit Fliessgeschwindigkeit in der Saugleitung Fliessgeschwindigkeit in der Druckleitung
[-] [m/s2] [m] [t/m3] [t/m3] [m/s] [m/s]
Die kritische Froud’sche Zahl Frkrit ist abhängig von der FeststoffFörderflüssigkeits-Volumenkonzentration PFF [Vol.-%] des Förderflüssigkeit-Feststoff-Korngemischs und dem mittleren Korndurchmesser dm [mm] des zu transportierenden Korngemischs:
Bild 4-14: Abhängigkeit der Froud’schen Zahl Frkrit vom mittleren Korndurchmesser dm und der Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration PFF des zu transportierenden Korngemischs nach [44]
143
Beispiel: Tunnelvortrieb mit Hydroschild
Vortriebsrichtung 'QF
Q0
QF = QF + 'QF
Zulauf
QFF= QF + Q0
Abförderung
Abbaukammer Bild 4-15: Materialfluss bei Hydroschildvortrieb
Das Feststoffvolumen entspricht der Grundabbauleistung: Q0
[m3/h]
I u A Ob
bzw. VFS
Vab
[m3]
A Ob u 'lab
Annahme: Die Förderzeit entspricht der Abbauzeit (tFZ Q0
Vab t BZ
tBZ ): [m3/h]
Für das geschlossene System des Zu- und Ablaufs gilt die Kontinuitätsgleichung:
¦ mi ¦ Ui u Qi i
0
i
Beim Zulauf des Systems handelt es sich um eine Flüssigkeit, so dass die Dichte bei allen Komponenten gleich ist: Zulauf: U uQ F
F
UF u QF UF u 'QF
[kg/h]
Q F
[m3/h]
QF 'QF N 'QF QF u Verl 100
[m3/h]
144
Abförderung:
UFF u QFF
U0 u Q0 UF u QF
[kg/h]
U0 u Q 0 u 100 UF u QF U §P · QF u F u ¨ FF 1¸ UFF © 100 ¹
mit PFF QFF
Q0
[Masse-%] [m3/h]
§ 1 · UFF ¨ ¸ QFF u u 1 ¸ U0 ¨¨ 1 ¸ © PFF ¹
[m3/h]
In der Praxis sind die Dichtenunterschiede zwischen der eingebrachten Flüssigkeit und des Flüssigkeits-Feststoff-Gemischs oft gering. Somit kann der Volumenstrom vereinfacht berechnet werden: QFF Q0 U0 I AOb VFS Vab 'lab tFZ tBZ ~ QF UF QF 'QF NVerl
§P · QF u ¨ FF 1¸ © 100 ¹
[m3/h]
Feststofffördermenge (Grundabbauleistung) Dichte des Feststoffs Penetrationsleistung Ortsbrustquerschnitt Abbauvolumen (Vab) während eines Vortriebshubs ('lab) Abbauvolumen Vortriebshub Förder- bzw. Abbauzeit (tBZ) beim Druckschild (Erddruck- bzw. Hydroschild) Abbauzeit Zulaufmenge der Trägerflüssigkeit (Bentonitsuspension) Dichte der Trägerflüssigkeit im Zulauf Trägerflüssigkeitsmenge der unbeladenen Förderflüssigkeit (z.B. Bentonitsuspension) in der Abförderung Förderflüssigkeitsverlust im Porenraum der Ortsbrust Verlustanteil der Trägerflüssigkeit im Porenraum an
145
[m3/h] [kg/m3] [m/h] [m2] [m3] [m3] [m] [h] [h] [m3/h] [kg/m3] [m3/h] [m3/h] [Vol.-%]
der Ortsbrust (5 – 20 %) Flüssigkeits-Feststoff-Förderleistung (Abförderung) Dichte des Flüssigkeits-Feststoffs-Gemisch (Abförderung) Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration Wirkungsgrad der Pumpe
QFF ȡFF PFF K
[m3/h] [kg/m3] [Vol.-%] [-]
Kreiselpumpen besitzen Pumpenkennlinien, auch Drosselkurven genannt. Die Form der Pumpenkennlinien ist abhängig von Bauart und Umdrehungszahl. Die Pumpenkennlinien und die Rohrkennlinien werden in einem H-Q-Diagramm dargestellt. Der Schnittpunkt Rohr- und Pumpkennlinie ergibt den Betriebspunkt der Pumpe. Es kann somit die erreichbare Fördermenge Q ermittelt werden. Pumpenkennlinien HP (Kreiselpumpe Drosselkurven) K[%] n1 [U/min] K1 K2
K3
n2
K4
H [m] n3 n4
Ro
h rk
n en
hgeod
l in
ie
Betriebspunkte
Hmin man
Hmax man Betriebsbereich Qmax
Qmin Q
[m3
/h]
Bild 4-16: H-Q-Diagramm für Pumpen- und Rohrkennlinien
146
Auswahl der Kreiselpumpe Entspreche nde Pumpe · § Qmax · §¨ ¸ ¨ ¸ ¨ bzw. Pumpenkenn linie, ¸ §n · ¨ Hman ¸ ¨ ¨¨ ¸¸ PP ¨¨ ¸¸ ¨ in der alle drei Bedingunge n ¸¸ © K ¹ ¸ © hS,erf ¹ ¨© erfüllt sin d ¹ Qmax
Perf K
Fördermenge (QFF bei Flüssigkeits-FeststoffGemisch; QF bei reiner Flüssigkeitsförderung) erforderliche manometrische Förderhöhe erforderliche Saughöhe Drehzahl der Pumpe Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Pumpenleistung/Anschlussleistung erforderliche Grundleistung der Pumpe
Hman hS,erf n K PP Perf
[kW]
[m3/h] [m] [m] [U/min] [-] [kW] [kW]
Leistungsaufnahme der Pumpe PP [kW] PP
Perf K
[kW]
Erforderliche Grundleistung der Kreiselpumpe Perf [kW] Perf Perf K U g Qmax Hman
U u g u Qmax u Hman 3600
[kW]
erforderliche Grundleistung der Pumpe Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Dichte des Fördermediums (UFF Rohdichte des Flüssigkeits-Feststoff-Gemischs; UF Rohdichte der Förderflüssigkeit ohne Feststoffe) Erdbeschleunigung Fördermenge (QFF bei Flüssigkeits-FeststoffGemisch; QF bei reiner Flüssigkeitsförderung) erforderliche Förderhöhe
147
[kW] [-] [t/m3] [m/s2] [m3/h] [m]
Falls die Wirkungsgrade K nicht im Pumpendiagramm angegeben sind, können die Wirkungsgradfaktoren Tabelle 4-19 entnommen werden. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage K>@ergibt sich dann aus:
K K KP KK KM
KP u KK u KM
[-]
Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Wirkungsgrad der Pumpe Wirkungsgrad der Kupplung Wirkungsgrad des Pumpenantriebs/-motors
Tabelle 4-19: Wirkungsgrade nach [45], [46]
Pumpen-Wirkungsgrad KP
[-]
0.60 – 0.80
Kupplungs-Wirkungsgrad KK
[-]
0.95 – 0.99
Motor-Wirkungsgrad KM
[-]
0.75 – 0.94
148
[-] [-] [-] [-]
Drehzahlregelung von Kreiselpumpen (Ähnlichkeitsgesetz) [42] Für die Regelung von Kreiselpumpen mittels Drehzahländerung gilt folgender Zusammenhang für zwei verschiedene Gleichgewichtszustände der Rohr- und Pumpenkennlinien: Q1 Q2
n1 n2
HP1 HP2
§ n1 · ¨¨ ¸¸ © n2 ¹
Qi ni HP,i i
[-] 2
[-]
Fördermenge Drehzahl der Pumpe Förderhöhe Drehzahlstufen: i = (1; 2)
[m3/h] [U/min] [m] [-]
Die Fördermenge Qi ändert sich proportional zur Drehzahl ni. Die Förderhöhe HP,i ändert sich proportional zum Quadrat der Drehzahl ni. Unter Annahme des gleichen Wirkungsgrads für kleine Drehzahländerungen 'ni ergibt sich für die Pumpleistung PPi folgendes Verhältnis:
PP1 PP2
§ n1 · ¨¨ ¸¸ © n2 ¹
3
[-]
Bei grösseren Veränderungen der Drehzahl muss die Veränderung des Wirkungsgrads K berücksichtigt werden. Es gilt K2
§n · 1 1 K1 u ¨¨ 1 ¸¸ © n2 ¹
0 .1
[-]
Kolbenpumpen: Dimensionierung und Überprüfung der Pumpeinrichtung
Kolbenpumpen wirken durch das Verdrängungsprinzip. Förderhöhe, Förderleistung und Verluste in der Rohrleitung sind somit voneinander unabhängig. 149
Förderleistung Q [m3/h] nach [21]
Q
6 u O u A Kolben u s u n u nKolben u 10 5
Q O AKolben s n nKolben
[m3/h] [m3/h] [-] [cm2] [cm/U] [U/min] [-]
Fördermenge volumetrischer Wirkungsgrad Kolbenfläche Kolbenweg Umdrehungszahl der Kurbelwelle Zylinder- bzw. Kolbenanzahl
Der volumetrische Wirkungsgrad O kann mit ca. 0.98 – 0.99 angegeben werden. Überprüfung der zulässigen Saughöhe
Die zulässigen Saughöhen von Kolbenpumpen sind von physikalischen Vorgängen im Zylinder abhängig. Die maximale Saughöhe ist erreicht, wenn die Saugspannung im Zylinder so gross ist, dass Dampfbildung (Kavitation) auftritt. Tabelle 4-20: Zulässige Saughöhen hS,zul bei Aussenatmosphärendruck (HB) von 10 m Wassersäule [45]
Wassertemperatur [°C] Saughöhe hS,zul [m]
5
10
20
30
40
60
80
7.00 6.97 6.85 6.66 6.34 5.07 2.27
150
Leistungsaufnahme der Pumpe [kW] PP
K
Perf K KP u KK u KM
[kW] [-]
Erforderliche Grundleistung der Kolbenpumpe Perf [kW] nach [21]
Perf PP Perf K KP KK KM U g O AKolben s n nKolben Hman
U u g u O u A Kolben u s u n u nKolben u Hman 6 u 10 7 Pumpenleistung/Anschlussleistung erforderliche Grundleistung der Pumpe Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Wirkungsgrad der Pumpe Wirkungsgrad der Kupplung Wirkungsgrad des Pumpenantriebs/-motors Dichte des Fördermediums Erdbeschleunigung: 9.81 volumetrischer Wirkungsgrad Kolbenfläche Kolbenweg Umdrehungszahl der Kurbelwelle Zylinder- bzw. Kolbenanzahl erforderliche manometrische Förderhöhe
151
[kW] [kW] [kW] [-] [-] [-] [-] [t/m3] [m/s2] [-] [cm2] [cm/U] [U/min] [-] [m]
Beispiel einer Pumpenberechnung
Es wird eine Pumpeneinrichtung für den Feststofftransport einer Tunnelbohrmaschine mit Hydroschild sowie Bentonit als Trägermedium betrachtet. Die Förderung des abgebauten Materials erfolgt über die Länge des Vortriebs in einer horizontalen Leitung bis zum Schacht, von dort führt die Förderleitung vertikal in eine Separationsanlage. Bild 4-17 enthält die massgebenden Abmessungen. Für die Steuerung des Pumpenbetriebs sind Zusammenhänge zwischen Vortriebsleistung und Pumpeneinrichtung darzustellen. Angaben:
Rohrlänge (Saugleitung): Maximale Rohrlänge (Druckleitung): Geodätische Höhendifferenz: Rohrtyp: Rohrdurchmesser: Einbauten:
lS 15 m lD 500 m hgeod 40 m geschweisstes Stahlrohr 40 cm d dS dD Einlauftrompete Rohrbogen, 3 Stück 8 Gew.-% Bentonitkonzentration: cBentonit Mittlerer Korndurchmesser Abbaumaterial: dm 3 mm Rohdichte des Feststoffs: U0 2.7 t/m3 Druck im Hydroschild: p0,ein 2.0 kPa Maximale Abbauleistung: Q0 130 fm3/h Rohrbogen: 90° r/d = 10
25 m
GWS
Druckluft
Bentonit
20 m 10 m
p1
Schneidrad
40 m
d = 0.4 m
Zulauf Rücklauf 15 m
435 m
Bild 4-17: Schematische Darstellung eines Rechenbeispiels
152
Vorüberlegungen:
Zunächst ist die Darstellung der Drucklinie der Pumpeneinrichtung (Bild 4-18) erforderlich. Sie zeigt die möglichen Verluste innerhalb der Rohrleitung und kennzeichnet diese Verluste. Die Pumpenbemessung erfolgt ohne Berücksichtigung des „unterstützenden“ Zulaufdrucks auf der Saugseite der Pumpe; dieser wird als Sicherheit betrachtet (Dimensionierung der Pumpe mit p0,ein = 0 kPa). hV,D1 hVö,KK hV,D2 hVö,KK
hV,D3 hVö,KK
2
vD 2 g
FF
Hman
hgeod
Für Pumpenberechnung p0,ein = 0 kPa
hV,E hV,S
FlüssigkeitsFeststoffGemisch
Bild 4-18: Schematische Darstellung der Drucklinie
153
Zur Dimensionierung der Pumpe werden zwei Fälle des Pumpenbetriebs betrachtet. Fall 1: Optimale Feststoff-Flüssigkeits-Volumenkonzentration: PFF 6.5 Vol.-% PFF P u U0 §¨ 1 FF ·¸ u UF 100 100 ¹ © 6.5 6.5 · u 1.045 u 2.7 §¨ 1 100 100 ¸¹ ©
UFF
1.15 [t/m3]
Fall 2: Grenzfälle der Flüssigkeits-Feststoff-Förderung: - Bentonitsuspension ohne Beladung PFF 0 Vol.-% cBentonit 8 Gew.-% UFF 1.045 t/m3 (Bild 4-13) - Grenzgrösse für den Betrieb von Kreiselpumpen 1.4 t/m3 UFF PFF
UFF UF u 100 U0 UF
1.4 1.045 u 100 | 21 Vol.-% 2.7 1.045
Lösung - Fall 1: PFF
6.5 Vol.-% und UFF
1.15 t/m3
Ziel der Berechnung ist die Ermittlung der Rohrkennlinie des Systems. Hierzu werden zunächst einige diskrete Verlusthöhen in Abhängigkeit der Fördermenge bzw. Fördergeschwindigkeit im betrachteten Leistungsbereich berechnet. Die Addition dieser Werte mit der geodätischen Förderhöhe ergibt die für die Bemessung der Pumpe massgebende Rohrkennlinie (Bild 4-19). Zusätzlich erfolgt eine Überprüfung der Bedingungen für den Feststofftransport. Im Folgenden sind die Formeln für die Ermittlung der manometrischen Förderhöhen angegeben. In Tabelle 421 sind die entsprechenden Werte für verschiedene Fördermengen zusammengefasst.
154
- Dichte der Bentonitsuspension: cBentonit 8 Gew.-% UF 1.045 t/m3 (Bild 4-13) - Maximal erforderliche Förderleistungen bei voller Abbauleistung: Abförderung: Feststoffmenge: Q0 = 130 fm3/h Trägerflüssigkeit (Benontitsuspension): QF
Q0 u 100 PFF
130 u 100 6 .5
2000 m3/h
Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch (vereinfachte Formel): QFF = QF + Q0 = 2000 + 130 = 2130 m3/h Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch (genaue Formel): QF u UF Q0 u U0 UFF
QFF
2000 u 1.045 130 u 2.7 1.15
2123 m3/h
Der Unterschied zwischen genauer und Näherungslösung ist gering. Zulauf an Bentonitsuspension (Annahme NVerl = 10 %): ~ QF
QF 'Q
N · § QF u ¨1 Verl ¸ 100 ¹ ©
10 · § 2000 u ¨1 ¸ 100 © ¹
3 2200 [m /h]
- Fliessgeschwindigkeit, hier über die gesamte Strecke gleich bleibend, da d const.:
v
vD
vS
QFF 3600 u A
QFF § d· 3600 u S u ¨ ¸ © 2¹
2
[m/s]
- Kritische Fliessgeschwindigkeit für Feststofftransport vkrit: dm
3 mm Frkrit
0.92 (Bild 4-14)
155
Flüssigkeitsförderung vkrit
Frkrit u 2 u g u d u
U0 UF UF
0.92 u 2 u 9.81 u 0.4 u
2.7 1.045 1.045
3.24 m/s
- Bedingung für den Transport von Feststoffen: v ! vkrit - Kritische Förderleistung für Transport von Feststoffen: QFF
v krit u A
§ d· v krit u 3600 u S u ¨ ¸ ©2¹
§ 0.4 · 3.24 u 3600 u S u ¨ ¸ © 2 ¹
2
2
1466 m3/h
Dies entspricht einer Abbauleistung von: Q0
§ · UFF ¨ 1 ¸ u QFF u 100 ¸ U0 ¨¨ ¸ 1 PFF ¹ ©
bei UFF
§ · 1.15 ¨ 1 ¸ u 1466 u 100 ¸ 2.7 ¨ ¨ 1 ¸ © 6.5 ¹
38.1 m3/h
1.15 t/m3
- Widerstandsbeiwert O (für die gesamte Strecke gleich bleibend): k d
0.008 400
0.00002
2 u 10 5
kinematische Viskosität: Q Reynoldszahl: Re O
1.3 u 10-6 m/s2
vud Q
[-]
ª ª log Re 1.2 1 u k º º « 2 u log«2.7 u »» Re 3.71 d »¼ »¼ «¬ «¬
2
[-]
- Verluste der Saugleitung: Reibungsverlust: h V,S
Ou
lS v2 u d 2u g
156
[m]
Einlauftrompete: h V,E
]E u
v2 2ug
[m] (h V,S h V,E ) u K visko
Verluste Saugleitung gesamt: h S,Verl
[m]
- Verluste der Druckleitung: Reibungsverlust: h V,D
Ou
lD v2 u d 2u g
[m]
Verluste durch drei Rohrbogen: h Vö,KK Verlust Druckleitung gesamt: hD, Verl
3 u ] KK u
v2 2ug
(h V,D h Vö,KK ) u Kvisko
[m] [m]
- Erforderliche Saughöhe: Dichte von Wasser: UW h S,erf
1 t/m3
§ v 2 · UFF ¨ h S,geod h S,Verl ¸u ¨ ¸ UW u 2 g © ¹
[m]
hier: hS,geod § 0 m - Zulässige Saughöhe: hS, zul
HB Hd 'H 10 0.1251 1.5
8.37 m
- Erforderliche Förderhöhe HFF man der Pumpe:
Hman
h geod h S,Verl hD,Verl
HFF man
Hman u
v D2 2u g
UFF UW
[m]
[m]
157
1.11
2.21
3.09
3.54
3.98
4.42
4.86
5.31
1400
1600
1800
2000
2200
2400
0.02
500
[m/s]
[m /h]
10
3
1000
v
QFF
ja
ja
ja
ja
ja
nein
nein
nein
nein
v > vkrit
1.44x10-2
1.28x10-2
1.22x10-2
1.20x10-2
1.18x10-2
1.16x10-2
1.15x10-2
1.13x10-2
3.40x105
6.80x105
9.52x105
6
1.22x106
6
1.50x106
1.63x106
1.36x10
1.09x10
[-]
3.43x10-2
[-]
O
6.80x103
Re
0.61
0.52
0.43
0.36
0.29
0.22
0.12
0.03
0.00
[m]
hV,S
0.09
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.01
0.00
0.00
[m]
hV,E
0.77
0.65
0.54
0.45
0.36
0.28
0.15
0.04
0.00
[m]
hS,Verl
0.21
0.161
0.082
0.021
0.00
[m]
10.72
8.36
4.48
1.25
0.00
[m]
hVö,KK hD,Verl
20.34 0.473 22.89
17.28 0.398 19.44
14.46 0.329 16.26
11.88 0.266 13.36
9.54
7.44
3.99
1.12
0.00
[m]
hV,D
2.50
2.14
1.77
1.44
1.15
0.88
0.46
0.12
0.00
[m]
hS,erf
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
hS,erf < hS,zul
65.09
61.30
57.80
54.61
51.71
49.13
44.88
41.36
40.00
[m]
Hman
73.86
70.65
66.62
62.94
59.60
56.62
51.72
47.66
46.10
[m]
HFFman
509.2
448.6
386.7
331.0
281.0
236.1
159.3
81.8
17.6
[kW]
Perf
0.76
0.76
0.75
0.73
0.72
0.71
0.63
0.40
0.10
[-]
KP
0.68
0.68
0.67
0.65
0.64
0.63
0.56
0.36
0.09
[-]
K
752.0
662.5
578.7
508.9
438.0
373.2
283.7
229.6
197.4
[kW]
PP
Tabelle 4-21: Fall 1 – Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen
158
Aufgrund der kritischen Geschwindigkeit für den Feststofftransport ist eine Förderleistung von 1466 m3/h (vkrit = 3.24 m/s) einzuhalten. Bedingt durch die gewählte Pumpe beträgt die maximale Förderleistung 2410 m3/h bei PFF = 6.5 Vol.-% und UFF = 1.15 t/m3. Durch eine stufenlose Drehzahlregelung (600 min-1 n 700 min-1) können die entsprechenden Förderleistungen eingestellt werden. - Erforderliche Grundleistung der Kreiselpumpe: Perf
UFF u g u QFF u Hman 3600
[kW]
- Tatsächliche Leistungsaufnahme der Pumpe: Der Wirkungsgrad KP entstammt dem Pumpkennlinien-Diagramm (Bild 4-19). Für die Wirkungsgrade der Kupplung und des Motors werden KK = 0.99 und KM = 0.90 angenommen. PP
Perf K
Perf KP u KK u KM
[kW]
Lösung – Fall 2: 0 Vol.-% PFF 21Vol.-% 1.045 t/m3 UFF 1.4 t/m3 Ziel der Berechnung ist die Ermittlung von Rohrkennlinien des Systems für verschiedene Flüssigkeits-Feststoff-Volumenkonzentrationen. Hierzu werden für einige Fördermengen entsprechende manometrische Förderhöhen ermittelt. Diese Werte ergeben die in Bild 4-19 gezeigten Rohrkennlinien. In Tabelle 4-22 sind die entsprechenden Werte für verschiedene Fördermengen zusammengefasst. Auch werden die Bedingungen für den Feststofftransport überprüft (Tabelle 4-23). - Maximaler Feststoffgehalt in der Flüssigkeit aus der Bedingung UFF d 1.4 t/m3: max PFF
max UFF UF u 100 U0 UF
1.4 1.045 u 100 2.7 1.045
- Fliessgeschwindigkeit, siehe Fall 1 159
21 Vol.-%
- Kritische Fliessgeschwindigkeit für Feststofftransport vkrit: Bei maximalem Feststoffgehalt in der Flüssigkeit PFF dm v krit
3 mm Frkrit
21 Vol.-% mit:
1 (Bild 4-14)
Frkrit u 2 u g u d u
U0 UF UF
1.0 u 2 u 9.81 u 0.4 u
2.7 1.045 1.045
3.53m/s
- Bedingung für den Transport von Feststoffen: v ! vkrit - Kritische Förderleistung für Transport von Feststoffen, siehe Fall 1: - Widerstandsbeiwert O, siehe Fall 1 - Verluste der Saugleitung, siehe Fall 1 - Verluste der Druckleitung, siehe Fall 1 - Erforderliche Saughöhe: UFF
1.045 t/m3 bzw. UFF
Dichte Wasser: UW hS,erf
1.4 t/m3
1.0 t/m3
§ v 2 · UFF ¨ hS, geod hS, Verl ¸u ¨ ¸ UW u 2 g © ¹
[m]
hier: hS,geod § 0 m - Zulässige Saughöhe, siehe Fall 1 - Erforderliche Förderhöhe HFF man der Pumpe:
Hman UFF
h geod h S,Verl hD,Verl 1.045 t/m3 bzw. UFF
v D2 2u g
1.4 t/m3 160
[m]
HFF man
Hman u
UFF UW
[m]
- Erforderliche Grundleistung der Kreiselpumpe, siehe Fall 1 - Tatsächliche Leistungsaufnahme der Pumpe, siehe Fall 1 - Berechnung der kritischen Fördermengen für verschiedene Flüssigkeits-Feststoff-Volumenkonzentrationen: Feststoffgehalt in der Flüssigkeit mit UFF 1.045 t/m3 bis UFF 1.4 t/m3, U0 PFF
UFF UF u 100 U0 UF
v krit
Frkrit u 2 u g u d u
2.7 t/m3 und dm = 3 mm:
Frkrit (Bild 4-14) U0 UF UF
[m/s]
Die kritische Fördermenge lässt sich berechnen aus: QFF
v krit u A
§ d· v krit u 3600 u S u ¨ ¸ © 2¹
2
[m3/h]
Weiterhin lassen sich die manometrischen Förderhöhen, analog dem Vorgehen für Fall 1, bestimmen: HFF man
Hman u
UFF UW
[m]
Die Ergebnisse für die Bestimmung der kritischen Fördermenge für verschiedene Flüssigkeits-Feststoff-Gemische sind in Tabelle 4-23 aufgeführt und in Bild 4-19 eingetragen.
161
[m/s]
[m3/h]
v > vkrit
[-]
Re
3.54
3.98
4.42
1600
1800
2000
162
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-2
5
1.18x10-2
1.16x10-2
1.22x106
6
0.02
1.11
2.21
3.09
3.54
3.98
4.42
4.86
5.31
10
500
1000
1400
1600
1800
2000
2200
2400
ja
ja
ja
ja
ja
nein
nein
nein
nein
-2
-2
6
1.16x10-2
-2
6
6
1.63x106
1.50x10
1.36x10
1.13x10-2
1.15x10
1.18x10-2
1.22x10
6
1.09x10
1.20x10
1.22x10-2
5
9.52x10
1.28x10-2
6.80x105
3.40x10
1.44x10
3.43x10-2
6.80x10
5
1.13x10-2
3
1.63x106
1.50x10
6
1.36x10
-2
1.20x10-2
6
1.09x10
1.15x10
1.22x10-2
9.52x10
5
6.80x10
1.28x10
1.44x10-2
3.40x10
3.43x10-2
5
[-]
O
6.80x103
3 UFF = 1.4 t/m ; PFF = 21 Vol.-%
5.31
3.09
1400
2400
2.21
1000
4.86
1.11
500
2200
0.02
10
3 UFF = 1.045 t/m ; PFF = 0 Vol.-%
v
QFF
0.61
0.52
0.43
0.36
0.29
0.22
0.12
0.03
0.00
0.61
0.52
0.43
0.36
0.29
0.22
0.12
0.03
0.00
[m]
hV,S
0.09
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.01
0.00
0.00
0.09
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.01
0.00
0.00
[m]
hV,E
0
[m] 0.00
[m]
9.54
0.80
0.42
0.21 10.72 1.04
7.44 0.161 8.36
3.99 0.082 4.48
0.11
0.00
[m]
0
0.00
9.54
0.00
1.07
0.55
0.14
0.21 10.72 1.38
7.44 0.161 8.36
3.99 0.082 4.48
1.12 0.021 1.25
0.00
0.77 20.34 0.473 22.89 3.06
0.65 17.28 0.398 19.44 2.58
0.54 14.46 0.329 16.26 2.14
0.45 11.88 0.266 13.36 1.74
0.36
0.28
0.15
0.04
0.00
0.77 20.34 0.473 22.89 2.30
0.65 17.28 0.398 19.44 1.94
0.54 14.46 0.329 16.26 1.61
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
hVö,KK hD,Verl hS,erf hS,erf < hS,zul
1.12 0.021 1.25
0.00
[m]
hV,D
0.45 11.88 0.266 13.36 1.31
0.36
0.28
0.15
0.04
0.00
[m]
hS,Verl
65.09
61.30
57.80
54.61
51.71
49.13
44.88
41.36
40.00
65.09
61.30
57.80
54.61
51.71
49.13
44.88
41.36
40.00
[m]
Hman
90.65
85.36
80.49
76.04
72.02
68.41
62.49
57.59
55.70
68.02
64.06
60.40
57.07
54.04
51.34
46.90
43.22
41.80
[m]
HFFman Perf
624.9
542.0
467.2
399.9
339.5
285.2
192.4
98.9
21.3
469.0
406.7
350.6
300.1
254.8
214.0
144.4
74.2
15.9
[kW]
-
-
-
0.72
0.71
0.68
0.62
0.40
0.10
0.77
0.76
0.76
0.75
0.73
0.71
0.64
0.45
0.10
[-]
KP K
-
-
-
0.64
0.63
0.61
0.55
0.36
0.09
0.69
0.68
0.68
0.67
0.65
0.63
0.57
0.40
0.09
[-]
PP
-
-
-
623.4
536.7
470.8
348.3
277.4
238.5
683.6
600.6
517.8
449.1
391.7
338.3
253.2
185.0
179.0
[kW]
Tabelle 4-22: Fall 2 - Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen
Tabelle 4-23: Kritische Fördermengen für verschiedene FlüssigkeitsFeststoff-Gemische UFF
FF
PFF
Frkrit
vkrit
QFF
[t/m ]
[Vol.-%]
[-]
[m/s]
[h/m ]
[m]
1.05
0.3
0.8
2.82
1276
50.06
1.1
3.3
0.84
2.96
1340
53.25
1.15
6.3
0.89
3.14
1419
56.77
1.2
9.4
0.93
3.28
1483
60.20
1.25
12.4
0.94
3.31
1499
62.96
1.3
15.4
0.98
3.45
1563
66.58
1.35
18.4
0.99
3.49
1579
69.43
1.4
21.5
1
3.53
1595
72.30
3
Hman
3
- Tabelle 4-24 zeigt eine Matrix, in der die Abhängigkeiten der Fördermenge und der Rohdichte des Feststoff-Flüssigkeits-Gemischs zur Abbauleistung bzw. der Nettovortriebsleistung dargestellt sind. Für eine Rückrechnung auf die Abbauleistung gilt:
Q0
§ 1 UFF ¨ QFF u u ¨ 1 U U0 ¨ § FF UF ¨ U U © © 0 F
§ · 1 ¸ UFF ¨ QFF u u 100 ¸ U0 ¨¨ ¸ 1 PFF ¹ ©
· ¸ ¸ · ¸¸ ¹¹
mit U0 = 2.7 t/m3 und UF = 1.045 t/m3 Die Nettovortriebsleistung ergibt sich aus der Beziehung:
Q0
d I u A Ob mit AOb S u §¨ ·¸ ©2¹
2
§ 10 · ¸ ©2¹
S u¨
163
2
78.5 m 2
1
[m3/h]
Tabelle 4-24: Matrix der Abhängigkeiten der Abbauleistung (Q0) bzw. Nettovortriebsleistung (I) von der Fördermenge und der Rohdichte des Feststoff-Flüssigkeits-Gemischs Q0 [t/h] I [m/h] 3 UFF [t/m ] entspricht ca. PFF [Vol.-%]
1276 1300 1400 1500 1600 1700 1800
QFF
1900
3
[m /h]
2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2650
1.045
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
0
3
6
9
12
15
18
21
0.0
16.7
32.4
48.6
65.1
82.0
99.3
116.8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.3
1.5
0.0
17.0
33.0
49.5
66.3
83.6
101.1
119.1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.1
1.3
1.5
0.0
18.3
35.6
53.3
71.4
90.0
108.9
128.2
0.0
0.2
0.5
0.7
0.9
1.1
1.4
1.6
0.0
19.7
38.1
57.1
76.5
96.4
116.7
137.4
0.0
0.3
0.5
0.7
1.0
1.2
1.5
1.7
0.0
21.0
40.7
60.9
81.6
102.9
124.5
146.5
0.0
0.3
0.5
0.8
1.0
1.3
1.6
1.9
0.0
22.3
43.2
64.7
86.7
109.3
132.3
155.7
0.0
0.3
0.6
0.8
1.1
1.4
1.7
2.0
0.0
23.6
45.7
68.5
91.8
115.7
140.1
164.8
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
2.1
0.0
24.9
48.3
72.3
96.9
122.1
147.8
174.0
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.6
1.9
2.2
0.0
26.2
50.8
76.1
102.1
128.6
155.6
183.2
0.0
0.3
0.6
1.0
1.3
1.6
2.0
2.3
0.0
27.5
53.4
79.9
107.2
135.0
163.4
192.3
0.0
0.4
0.7
1.0
1.4
1.7
2.1
2.4
0.0
28.8
55.9
83.7
112.3
141.4
171.2
201.5
0.0
0.4
0.7
1.1
1.4
1.8
2.2
2.6
0.0
30.1
58.4
87.5
117.4
147.8
179.0
210.6
0.0
0.4
0.7
1.1
1.5
1.9
2.3
2.7
0.0
31.4
61.0
91.3
122.5
154.3
186.7
219.8
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
0.0
32.8
63.5
95.2
127.6
160.7
194.5
228.9
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.5
2.9
0.0
34.1
66.1
99.0
132.7
167.1
202.3
238.1
0.0
0.4
0.8
1.3
1.7
2.1
2.6
3.0
0.0
34.7
67.3
100.9
135.2
170.3
206.2
242.7
0.0
0.4
0.9
1.3
1.7
2.2
2.6
3.1
164
U
h rk = 1 en n . 1 5 lin ie t/ m3
Ro
FF
U
7 5%
75
%
600
50
500
NCY
40
30 400
E F FIC IE
Förderhöhe H FFman [m]
60
80%
70
U Roh FF = rke 1 . nn 04 l in 5 t / ie m3
R oh r FF = ken 1. n 4 li n t / ie m3
r/min
70%
60%
50%
80 700
40%
GG 12148
20 300
10
0 0
1000
2000
3000
4000
3
QFF [m /h] Betriebsbereich der Pumpe für verschiedene Flüssigkeits-Feststoff-Gemische Bild 4-19: Fall 1 und 2 - Rohr- und Pumpenkennlinie sowie möglicher Betriebsbereich (Pumpe: Warman GG 12148)
165
4.5 Schneckenförderung Die volumetrische Grundförderleistung von Förderschnecken ist bezogen auf das Volumen des aufgelockerten Fördergutes. Im Falle des Bodenabbaus, beispielsweise im Tunnelbau, muss daher die abgebaute Bodenmenge im lockeren Zustand betrachtet werden.
Q0 ~ Q0
Bild 4-20: Schematische Darstellung eines TVM-Tunnelvortriebs mit Förderschnecke zur Materialabfuhr
~ Q0
Q0 D
[lm3/h]
Q0
I u A Tunnel
[fm3/h]
~ Q0 Q0 D I ATunnel
volumetrische Grundförderleistung (Lockermaterial) Grundabbauleistung (festes Material), z.B. der TVM Lösefaktor Nettovortriebsleistung, z.B. der TVM Tunnelausbruchfläche
166
[lm3/h] [fm3/h] [fm3/lm3] [m/h] [m2]
Die Grundförderleistung Qm,0 [t/h] und die volumetrische Grundför~ derleistung Q 0 [lm3/h] von Förderschnecken sind abhängig von der Schneckengeometrie und dem Fördergut [47].
Bild 4-21: Geometrie einer Förderschnecke
Q m,0 ~ Q0 A
v Qm,0 US ~ Q0
M0 UF Q0 D A v d2 d1 s1 n
~ U S u Q 0 u M0
UF u
Q0 u M0 D
[t/h] [lm3/h]
Auv d22 d12 uS 4
[m2]
s1 u n
[m/h]
Grundförderleistung Schüttdichte des Fördergutes (lockeres Material) volumetrische Grundförderleistung (lockeres Material) Grundwert-Füllungsgrad der Förderschnecke Dichte des ungelösten Materials in der Ortsbrust Grundabbauleistung (festes Material) Lösefaktor Förderquerschnitt der Schnecke Fördergeschwindigkeit der Schnecke Schneckendurchmesser, aussen Schneckenachsendurchmesser Schneckenganghöhe Schneckendrehzahl
167
[t/h] [t/lm3] [lm3/h] [-] [t/fm3] [fm3/h] [fm3/lm3] [m2] [m/h] [m] [m] [m] [1/h]
Die Nutzförderleistung QN [t/h] (entspricht dem Abbauvolumen in fester Form) ergibt sich zu QN
k2 fE
[t/h]
Q m,0 u k 2 u k 3 u K G
fG u fE u fSt u f 4 u f5
[-]
1 E u 0.02
k3 QN Qm,0 k2 k3 f1,f2,f3, fG fE fSt E f4 f5 K1 K2 KG
[-] [-]
K1 u K 2 Nutzförderleistung Grundförderleistung Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert nicht massgebend Steigungsfaktor der Schneckenganghöhe Steigungsfaktor der Schneckenachse Staufaktor am Zwischenlager Steigung der Schneckenachse (0° { horizontal) Schneckenzustandsfaktor § 1 Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Bedienungsfaktor § 1 Betriebsfaktor Geräteausnutzungsgrad
[t/h] [t/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [°] [-] [-] [-] [-] [-]
Der Füllungsgrad M ist abhängig vom Grundwert, der durch die Reibungs- und Hafteigenschaften des Fördergutes bestimmt wird. Ferner beeinflussen schneckenspezifische geometrischen Faktoren wie Steigung der Schneckenganghöhe G und Steigung der Schneckenachse E die Leistung (Bild 4-22). Auch sind eventuelle Stauungen an Zwischenlagern infolge Überladung zu berücksichtigen.
Bild 4-22: Steigungen der Schneckenganghöhe (G und der Schneckenachse (E
168
Tabelle 4-25: Grundwerte des Füllungsgrads M0 nach [47]
Grundwert des Füllungsgrads M0 [-]
Fördergut mässig schleissend, körnig bis kleinstückig (Sand) schwer, stark schleissend (Kies)
§ 0.3 § 0.15
Tabelle 4-26: Steigungsfaktor fG der Schneckenganghöhe nach [47]
Steigung der Schneckenganghöhe G [°] ungewöhnlich gross: > 30 übliche Steigung: 17< G < 30
Abminderungsfaktor – Steigung der Schneckenganghöhe fG [-] § 0.9 § 1.0
Tabelle 4-27: Staufaktor fSt nach [47]
Stauung Zwischenlager der Schnecke gleichmässiger Fluss, keine Stauungen
Abminderungsfaktor – Einfluss von Stauungen fSt [-] § 0.9 § 1.0
Tabelle 4-28: Betriebsbedingungen K2 nach [47]
Betriebsbedingungen K2 [-]
Betriebsbedingung rauer Betrieb, schlechte Wartung, häufige Überfüllung, ungleichmässige Beschickung guter Betrieb, keine Überfüllung, gleichmässige Beschickung
169
0.8 1
Die erforderliche Schneckenkraft FB [kN] in Förderrichtung kann anhand einer Betrachtung der Förderschnecke über eine definierte Länge 'l hergeleitet werden.
'l v n
S ch
ne c
ke n
d2
FB
se a ch
FV
E
FN FR
FH
Bild 4-23: Betrachtung eines Ausschnitts der Förderschnecke bezüglich der wirkenden Kräfte
FR m 'l u g u cos E u L u O
[kN]
FH m 'l u g u sin E u L
[kN]
m 'l
U S u A u M 0 u fG u fE
Q m,0 v
u fG u fE
[t/m]
mit H sin E u L
[m]
Summe aller Kräfte in Achsenrichtung:
FB
FR FH
FB
U S u A u M0 u fG u fE u g u cos E u L u O H Qm,0 v
FR m'l g E
[kN]
u fG u fE u g u cos E u L u O H
Reibungskraft Streckenlast des Fördergutes Erdbeschleunigung Steigung der Schneckenachse
170
[kN] [kN] [t/m] [m/s2] [°]
L H O FH US A v M0 FB
Schneckenlänge Höhendifferenz zw. Schneckenanfang und –ende Verschiebewiderstandsbeiwert Hangabtriebskraft Schüttdichte des Fördergutes (lockeres Material) Förderquerschnitt Fördergeschwindigkeit der Schnecke Grundwert-Füllungsgrad der Förderschnecke erforderliche Schneckenkraft
[m] [m] [-] [kN] [t/m3] [m2] [m/h] [-] [kN]
Tabelle 4-29: Verschiebewiderstandsbeiwert O in Abhängigkeit von den Materialien nach [50]
Fördergut Asche, Schlacke Kies Ton, feuchter Lehm Mergel Sand Zement Mörtel
Schüttdichte US [t/m3] 0.7 – 1.0 1.5 – 1.8 1.8 1.6 – 1.9 1.4 – 1.7 1.0 – 1.3 1.8 – 2.1
Verschiebewiderstandsbeiwert O [-] 3 3 2 2 3 2 3
Die theoretische Antriebsleistung der Förderschnecke PA [kW] und das Drehmoment des Schneckenantriebs MD [kNm] für Förderschnecken ergeben sich zu: PA
FB u v
MD u Z
[kW]
v
s1 u n
[m/h]
Z
2u Sun
[1/h]
MD PA FB v MD Z
FB u v cos E u L u O H | 1.56 u u Q m,0 Z n theoretische Antriebsleistung der Förderschnecke erforderliche Schneckenkraft Fördergeschwindigkeit Drehmoment des Schneckenantriebs Winkelgeschwindigkeit 171
[kNm] [kW] [kN] [m/h] [kNm] [1/h]
n s1 E L O H Qm,0
Schneckendrehzahl Schneckenganghöhe Steigung der Schneckenachse Schneckenlänge Verschiebewiderstandsbeiwert Höhendifferenz zw. Schneckenanfang und -ende Grundförderleistung
[1/h] [m] [°] [m] [-] [m] [t/h]
Motorleistung PM [kW] des Schneckenantriebs
PM PM PA KM
PA KM
[kW]
Motorleistung des Schneckenantriebs theoretische Antriebsleistung der Förderschnecke Wirkungsgrad des Motors
172
[kW] [kW] [-]
5 Tunnelbaugeräte Tunnelbohrmaschinen Teilschnittmaschinen Bohrmaschinen Bohr- und Sprengarbeiten Lüftung
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_5, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
5.1 Tunnelbohrmaschinen [2] Die Penetration (Eindringtiefe) [m/h] wird durch folgende Faktoren bestimmt [48]: x x x x x
Klüftung des Gesteins Lage der Klüfte Gesteinshärte/-art Anpressdruck Meisselgrösse
Nettovortriebsleistung I [m/h] (Nettopenetrationsleistung)
I = k S u k M u ib u m u I kS kM ib m
60 1000
[m/h]
Nettovortriebsleistung (Penetration) Kluftfaktor Einflussfaktor der Meisselgrösse max. Penetration pro Bohrkopfumdrehung Anzahl der Bohrkopfumdrehungen pro Minute
[m/h] [-] [-] [mm/U] [U/min]
Daraus ergibt sich die Grundabbauleistung Q0 [fm3/h] Q0
Iu A
Iu
S u D2 4
[fm3/h]
174
Die Nutzabbauleistung QN [fm3/h] beträgt somit QN
Q 0 u k 1 u k 2 u k 3 u KG
k1
1
k2
f 4 u f5
k3
K1 u K 2
D A Q0 QN f1; f2; f3 f4 f5 k1 k2 k3 KG K1 K2
[fm3/h]
Tunnelausbruchdurchmesser Tunnelausbruchfläche Grundabbauleistung Nutz-/Dauerabbauleistung nicht massgebend Meisselzustand Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Abbaubarkeitsfaktor (berücksichtigt im DRI) Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad (einschliesslich Umsetzen der Maschine nach jedem Bohrhub) Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen
[m] [m2] [fm3/h] [fm3/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Der Lösefaktor bei Fels beträgt:
D
Felsvolume nfest | 0.6 Felsvolume ngelöst
d.h. das Volumen des gelösten Felses erhöht sich gegenüber dem Volumen des ungelösten Felses um das ca. 1/0.6fache = 1.7fache Volumen.
175
Kluftfaktor kS [-]
Die Klüfte und Spalten werden in Klassen eingeteilt [48]: 0 I II III IV
keine Bruchzonen vorhanden einzelne Klüfte vorhanden mehrere Klüfte vorhanden viele Klüfte vorhanden sehr viele Klüfte vorhanden, Störzone
Abstand ca. 40 cm Abstand ca. 20 cm Abstand ca. 10 cm Abstand ca. 5 cm
Ebenfalls einen Einfluss auf den Kluftfaktor hat der Winkel E zwischen der Tunnelachse und der Kluftfläche. 5 4.5
IV
4 3.5 k S [-]
3
III - IV
2.5 2
III
1.5
II - III II I 0
1 0.5 0 0
20
40 60 Winkel E [°]
80
Bild 5-1: Einfluss des Winkels E [°] zwischen der Tunnelachse und den Kluftflächen auf den Kluftfaktor kS [-] [48]
176
Die maximale Penetration ib [mm/U] ist von der Bohrbarkeit (Drilling Rate Index DRI) des Gesteins und dem Anpressdruck pro Disk abhängig [48].
300
Hornblendegneis* 200
Grünstein
100
Grünschiefer 0
20
40
60
80
100
Druckfestigkeit Fels [N/mm2 ]
Druckfestigkeit Fels [N/mm 2 ]
Die Bohrbarkeit DRI [-] wird aus den unten stehenden Diagrammen herausgelesen.
300 200 Kalkstein* 100
0
120
20
40
200
grobkörniger Granit
100
Glimmergneis Glimmerschiefer
Phyllit
Schiefer 20
40
60
80
100
Druckfestigkeit Fels [N/mm 2 ]
Druckfestigkeit Fels [N/mm 2 ]
mittel- bis feinkörniger Granit
0
60
80
100
120
DRI
DRI
300
Marmor*
Kalkschiefer*
Quarzit
300 200
Sandstein
100
0
120
20
40
60
80
Schluffmergel 100 120
DRI
DRI
*) Diese Felsarten weisen eine hohe Streuung der Druckfestigkeitsbereiche und der DRI-Werte auf. Hier wird eine genauere Untersuchung der Bohrbarkeit angeraten.
Bild 5-2: Bohrbarkeit DRI [-] [48]
177
Anpresskraft pro Disk Fi [kN]
Fi
FA n
[kN]
FA = FVorschub - FZR
[kN]
Fi FA FVorschub FZR n
[kN] [kN] [kN] [kN] [-]
Durchschnittliche Anpresskraft pro Disk Effektive Anpresskraft des Bohrkopfes Vorschubpressenkräfte Reibungskräfte am Bohrkopfmantel Anzahl der Disken am Bohrkopf
Zur Ermittlung der erforderlichen Gripperspannkräfte siehe [2].
FVersp FGR
Verspannkraft der Gripper Reibungskräfte der Gripper
Bild 5-3: Kräfte beim Einsatz einer Tunnelbohrmaschine
178
[kN] [kN]
Bild 5-4: Diagramm zur Bestimmung der maximalen Penetration ib [48]
179
Einflussfaktor der Meisselgrösse kM [-] 1.150
k M [-]
1.100 1.050 1.000 0.950 12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
17.0
Meisselgrösse ["] Bild 5-5: Einflussfaktor der Meisselgrösse [48]
Bohrkopfumdrehungen m [U/min]
Maximale Bohrkopfumdrehungen für Diskenabrollgeschwindigkeit von v = 110 m/min [2]: 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
vDisk = 110 m/min
3
4
5
6
7
8
9
Tunneldurchmesser D [m]
Bild 5-6: Maximale Bohrkopfumdrehungen m für die Diskenabrollgeschwindigkeit v = 110 m/min
180
10
11
12
5.2 Teilschnittmaschinen [2] Nutzabbauleistung QN [fm3/h]
QN
Q0 u k S u k 2 u k 3 u KG
kS
k C u kP
k2
f4 u f5
k3
K1 u K2
[fm3/h] [-] [-] [-]
QN Q0
Nutzabbauleistung mittlere Grundabbauleistung, enthält Schwenkwinkelfaktor (Bestreichen der Ortsbrust von einem Punkt) f1; f2; f3 nicht massgebend f4 Meisselzustand Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor f5 kC Zähigkeitsfaktor kP Schichtabstandsfaktor Schrämbarkeitsfaktor kS k2 Leistungseinflussfaktor k3 Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad (einschliesslich Umsetzen KG der Maschine an der Ortsbrust) Bedienungsfaktor K1 Betriebsbedingungen K2
181
[fm3/h] [fm3/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
140
Mittlere Grundabbauleistung Q 0 [fm 3/h]
120
Antriebsleistung am Schneidkopf 100
300 kW 80
200 kW 60
100 kW 40
20
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Einaxiale Druckfestigkeit [MPa]
Bild 5-7: Diagramm zur überschlägigen Ermittlung der mittleren Grundabbauleistung Q0 von TSM
Bild 5-7 zeigt die mittlere Grundabbauleistung von Teilschnittmaschinen als Funktion der einaxialen Druckfestigkeit und der Antriebsleistung am Schrämkopf. Die Zugfestigkeit Vz des Gesteins wird durch den Zähigkeitsfaktor kC berücksichtigt.
182
1.3
0.8 0.7 0.6 5
6
7
8
9
10
11
12
gut schrämbar
0.9
durchschnittlich schrämbar
1.0
schlecht schrämbar
sehr schlecht schrämbar
k C [-]
1.1
sehr gut schrämbar
Längsschneidkopf Typ U47
1.2
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Vd : Vz Vd = einaxiale Druckfestigkeit Vz = Zugfestigkeit Bild 5-8: Zähigkeitsfaktor kC [-] – Einfluss des Spannungsverhältnisses Vd/Vz [49]
2.8 2.6 2.4
kP [-]
2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 5
10
15
20
25
Schichtabstand [cm] Bild 5-9: Schichtabstandsfaktor kP [-] [49]:
183
30
35
CAI = Cerchar Abrasivitäts-Index 10
CAI = 0.6
Meisselverbrauch [n/fm 3 ]
CAI = 1 CAI = 2
1
CAI = 3
0.3 wirtschaftliche Grenze
0.1
0.01
0.001 0
20
40
60
80
100
120
140
160
einaxiale Druckfestigkeit [MPa] n = Anzahl der Meissel
Bild 5-10: Meisselverbrauch nach [49]
Tagesmeisselverbrauch NAT [n]
NAT = vm u QN u TA
[n]
vm QN TA
[n/fm3] [fm3/h] [h]
Meisselverbrauch Nutzabbauleistung Arbeitsstunden pro Tag
Gesamtmeisselverbrauch über die Einsatzzeit NET [n]
NET
¦ v mi u Vi
[n]
i
vmi i Vi
Meisselverbrauch im Bereich i Bereich mit unterschiedlichem CAI und Vd Ausbruchvolumen im Bereich i
184
[n/fm3] [-] [fm3]
Optimale Abstimmung: Schrämleistung - Maschinengewicht [2]:
Antriebsleistung am Schrämkopf [kW]
350
300
250
200
150
100
50 0
20
40
60
80
100
Maschinengewicht [t] Bild 5-11: Optimierung Schrämleistung (Schneidkopfantrieb) und Maschinengewicht
185
120
5.3 Bohrmaschinen Grundpenetration vBohr,0 [m/min] v Bohr, 0
i b u k S u k M u k BS
[m/min]
Nutzpenetration vBohr,N [m/min] v Bohr, N
v Bohr, 0 u k 2 u k 3 u KG
[m/min]
k2
f 4 u f5
[-]
k3
K1 u K2
[-]
vBohr,0 ib kS kM kBS vBohr,N k2 k3 f1; f2; f3 f4 f5 K1 K2 KG
Grundpenetration Penetrationsrate Einflussfaktor der Schieferung/Anisotropie Faktor für die Wahl des Bohrkopfdurchmessers Faktor zur Berücksichtigung der Art der Bohrstifte Nutzpenetration Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert nicht massgebend Bohrstift-/Bohrkronenzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Geräteausnutzungsgrad
[m/min] [m/min] [-] [-] [-] [m/min] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Die erzielbare Bohrleistung ist abhängig von: - Leistung, Antriebs- bzw. Kraftübertragungsart, Bohrverfahren, Anpressdruck, Schlagimpuls und -frequenz etc. - Bohrbarkeit des Gesteins, abhängig von Druckfestigkeit, Zähigkeit, Quarzgehalt etc. - Anisotropie/Schieferung des Gesteins - Bohrkronenwahl, Stiftform - Durchmesser der Bohrung
186
I= 90° I- Winkel zur Schieferung [ ° ]
90 1.0
75
90 I= 45° 6090
0.8 45
90
ks [ - ]
rauhe Schichtflächen
0.6
30
0.4
90 glatte Schichtflächen 15
0.2
I= 0°
0.0
0 90
Bild 5-12: Faktor kS [-] – Einfluss der Anisotropie bei geschieferten Gebirgen nach [50]
Zu Bild 5-12: Verlauf des Einflussfaktors kS in Abhängigkeit von der Bohrrichtung für ein Quarzphyllit mit ebenen, glatten Schieferungsflächen (hochgradige Anisotropie; durchgehende Linie) und mit welligen Schieferungsflächen (starke Anisotropie; gestrichelte Linie) [50]. Tabelle 5-1: Faktor kM [-] – Berücksichtigung der Wahl des Bohrkopfdurchmessers bei gleicher Hammerleistung
Bohrkopfdurchmesser Ø [mm] Anzahl der Bohrstifte
[-]
45
64
128
6 bzw. 9
12
22
1
0.8 – 0.6
0.4 – 0.6
Abminderungsfaktor kM [-] 187
Tabelle 5-2: Faktor kBS [-] zur Berücksichtigung der Art der Bohrstifte nach [50]
Faktor kBS [-]
Stiftform ballistisch
1.0
sphärisch
0.85
Tabelle 5-3: Praxiswerte für die Penetrationsrate ib [m/min] in Abhängigkeit von der Gesteinsart und der einaxialen Druckfestigkeit nach [51]
Drehschlagbohrmaschine: Leistung 20 kW, z.B. Atlas Copco COP 1838 Gesteins art
einaxiale Druckfestigkeit Vc [N/mm2]
typische Penetrationsrate ib [m/min]
Granit / Gneis
150 – 220
2.8 – 3.5
Kieselkalk
200 – 270
2.5 – 3.5
Tonstein (Mergel)
20* – 80
2.0 – 3.0
Sandstein (Molasse)
40* – 150
3.0 – 4.0
* Anmerkung:
Gebirge mit tonigen Anteilen führt beim Bohren zu Leistungsminderungen durch Verkleben / Verstopfen der Spülöffnungen der Bohrkrone
Tabelle 5-4: Trendbeziehung Bohrbarkeit – Bohrgeschwindigkeit – Bohrkronenverbrauch nach [52] Grundpenetration Bohrbarkeit
Bezeichnung
leicht
sehr hoch
normal
hoch
Verschleiss / Standzeit
vBohr,0 [m/min] >4 3–4
Bezeichnung sehr gering
lstand [Bohrmeter/Krone]* > 2500
gering
1500 – 2500 1000 – 1500
schwer
mittel
2–3
mittel
sehr schwer
gering
1–2
hoch
500 – 1000
extrem schwer
sehr gering
<1
sehr hoch
200 – 500
extrem schwer
sehr gering
<1
extrem hoch
< 200
* bezogen auf Stiftkronen mit Bohrkronendurchmesser zwischen 43 und 48 mm, hauptsächlich 45 mm
188
5.4 Bohren und Sprengen einer Ortsbrust [2] Gesamte Bohrzeit TB [min] TB
¦ tB ¦ 'tUmsetz t Vermess
[min]
TB
n u 't Umsetz n u lB n u 't Vermess nB u v Bohr ,N nB
[min]
¦ tB n lB nB vBohr,N 'tUmsetz tVermess 'tVermess
Gesamte Bohrzeit für die Bohrlöcher eines Abschlags Anzahl Bohrlöcher Bohrlochtiefe Anzahl der Bohrarme am Jumbo (2 bis 3) reine Bohrgeschwindigkeit, abhängig von der Gesteinsfestigkeit, Abrasivität etc. Umsetzzeit eines Bohrarms zum nächsten Bohransatzpunkt Gesamteinmesszeit aller Bohrlöcher, bei automatischen Bohrgeräten | 0 Einmessung und Markierung eines Bohransatzpunkts (bei teil- bzw. vollautomatisierten Jumbos 'tVermess = 0)
[min] [-] [m] [-] [m/min] [min] [min] [min]
Zeit für das Umsetzen des Bohrjumbos von einer Ortsbrustseite zur anderen und das Einrichten: TEin = 15 min Die Sprengzeit setzt sich zusammen aus der Zeit für das Laden der Bohrlöcher, das Verdrahten, das Prüfen und Zünden der Ladungen sowie aus der Zeit für das anschliessende Lüften. Ladezeit TL [min] TL nA qA
n u lB n A u qA
[min]
Anzahl der Arbeiter Ladeleistung pro Arbeiter (1 – 2 m/min)
189
[-] [m/min]
Verdrahtungszeit TV [min] TV TV t Verd
n u t Verd
[min]
Verdrahtungszeit [min] Verdrahtungszeit pro Bohrloch (0.2 – 0.5 min/Loch) [min/Loch]
Zeit für Prüfen und Zünden TPZ [min]:
TPZ
15 min
Zeit für das Lüften TLüft [min]:
TLüft
15 min
Da die Arbeiten heute weitgehend parallel verlaufen, können sie nicht als einfache Summe abgebildet werden. Beim Einsatz von lafettierten Bohrgeräten und Verwendung von patroniertem oder Emulsionssprengstoff darf bei gebotener Vorsicht bis zum Abstand eines Fünftels der Bohrlochtiefe, mindestens aber 1 m, von geladenen Bohrlöchern gebohrt werden [53]. Dies bedeutet, dass das Laden der Bohrlöcher parallel zum Bohren durchgeführt und nach ca. einem Viertel bis der Hälfte der gebohrten Löcher begonnen werden kann. Gleichzeitig kann nach Fertigstellung des Ladevorgangs einer Ortsbrusthälfte bereits mit dem Verdrahten der Zündstufen begonnen werden. Nachfolgend wird ein solches Beispiel dargestellt, das eine weitgehende Parallelität eines Teils des Sprengvortriebszyklus ermöglicht. Folgende Arbeiten verlaufen parallel: 1. Phase: x Der Bohrjumbo bohrt Sprenglöcher auf der linken Hälfte der Ortsbrust. x Das Ankerbohrgerät setzt auf der rechten Tunnelgewölbeseite Anker. Zwischenphase: Gerätewechsel 2. Phase: x Der Bohrjumbo bohrt Sprenglöcher auf der rechten Hälfte der Ortsbrust. x Das Ankerbohrgerät setzt auf der linken Tunnelgewölbeseite Anker. x Vom Ankerbohrgerät wird mittels Ladekorb auf der linken Ortsbrusthälfte patronierter oder Emulsionssprengstoff geladen. x Anschliessend folgt auf der linken Ortsbrusthälfte die Verdrahtung der Sprengladungen. 190
3. Phase: x Laden der rechten Seite der Ortsbrust vom Ladekorb des Bohrjumbos x Anschliessend folgt auf der rechten Ortsbrusthälfte die Verdrahtung der Sprengladungen. x Rückziehen des Bohrjumbos 4. Phase: x Prüfen und Zünden der Ladungen 5. Phase: x Lüften Des Weiteren folgt das Profilieren des Querschnitts nach dem Sprengen und das anschliessende Schuttern. Linke Seite:
Sprenglöcher - einrichten - bohren
TEinnB,l
TB,l
Rechte Seite: Sprenglöcher - einrichten/umsetzen - bohren
TEinB,r
Linke Seite:
T EinA, l
- Umsetzen - Anker setzen
Rechte Seite: - Einrichten - Anker setzen Linke Seite:
TB,r TAs,l
TEinA , r TAs,r TL,l
- Laden - Verdrahten
TV,l TL,r
Rechte Seite: - Laden - Verdrahten
TV,r TPZ
Prüfen und Zünden
TLüft
Lüften
Bild 5-13: Zeitlicher Ablauf eines parallel verlaufenden Sprengvortriebszyklus Sprenglöcher Sprenglöcher Anker
Anker
Bild 5-14: Parallel verlaufender Vortrieb
191
5.5 Lüftung [2] Entsprechend SUVA [54] bzw. TBG [55], [56] ist eine ausreichende Lüftung sicherzustellen. Es gelten folgende Mindestanforderungen: x Dauernde Bereitstellung von Atemluft mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 20 Vol.-%. x Die Anteile der gesundheitsschädlichen Staube und Gase dürfen die MAK-Werte (maximale Arbeitsplatzkonzentration) nicht übersteigen. Abbau durch Sprengen: x Aufnahme der Arbeit an der Sprengstelle nach frühestens 15 Minuten Lüftungszeit. x Die Förderleistung der Lüftung muss im grössten ausgebrochenen Profil eine Luftgeschwindigkeit von mindestens 0.30 m/s erzielen (dieser Wert gilt bei einer Sprengpause von 15 Minuten; bei Verlängerung der Wartezeit kann die Leistung der Lüftung im umgekehrten Verhältnis herabgesetzt werden). x Für die gleichzeitig unter Tag in Betrieb stehenden Fahrzeuge und Maschinen sollen mindestens 4 m3 Frischluft pro Minute und DIN-PS zur Verfügung stehen (berücksichtigt werden nur die Nennleistungen aller Grossgeräte). Sprengfreier Abbau x Für jede unter Tag beschäftigte Person sind 1.5 m3 Frischluft pro Minute zuzuführen. x Für die gleichzeitig unter Tag in Betrieb stehenden Fahrzeuge und Maschinen sollen mindestens 4 m3 Frischluft pro Minute und DIN-PS zur Verfügung stehen (berücksichtigt werden nur die Nennleistungen aller Grossgeräte). Die Zuführung der Frischluft erfolgt meistens mittels Lutten. Bei diesen, aus einzelnen Luttenelementen von gleich grossem Durchmesser bestehenden Lüftungsaggregaten, können die Druck- und Leckverluste in den verschiedenen Bauphasen direkt aus den Berechnungsdiagrammen abgelesen werden. Für Lutten mit spürbaren Drucksprüngen infolge Durchmesseränderungen, Umlenkungen, Vereinigungen, Abzweigungen oder Zwischenventilatoren sei auf Norm SIA 196 [57] verwiesen. 192
Luttengüteklasse S: neue Lutten, nur sehr geringe Verluste, regelmässig gewartet, meist Luttenspeicher erforderlich (Undichtigkeit ca. 5 mm2/m2) Luttengüteklasse A: neue Lutten, nur geringe Verluste (Undichtigkeit ca. 10 mm2/m2) Luttengüteklasse B: gebrauchte Lutten mit höheren Verlusten, etwas höhere Porosität des Luttenrohrs (Undichtigkeit ca. 20 mm2/m2) Die Lutte hat an den Stossstellen der Luttenelemente und durch kleine Beschädigungen immer undichte Stellen. Es ist rechnerisch zulässig, die unvermeidlichen Undichtigkeiten als über die ganze Abschnittlänge gleichmässig verteilt anzunehmen. Grosse Einzellecks werden mit dieser Berechnungsmethode nicht erfasst, sie lassen sich jedoch leicht feststellen und sollten gedichtet werden. Bemessungsverfahren Ausgehend von einem sicherzustellenden Luftwechsel (gegeben als Q, u und p) im Tunnelquerschnitt werden die erforderlichen Werte am Ende der Lutte (Q0, u0, p0) bestimmt. Mit Hilfe der Diagramme Bild 5-17 bis Bild 5-19 sind die entsprechenden Kennwerte am Luttenanfang (Q1, u1, p1) festzulegen. Diese Werte bilden die Basis zur nachfolgenden Bemessung des entsprechenden Ventilators. Es ist darauf zu achten, dass der zulässigen Werte für den Innendruck der Lutte an keiner Stelle der Lutte überschritten werden. Für den Fall der Überschreitung des zulässigen Lutteninnendruckes sind alternativ zu wenigen grösseren Ventilatoren entsprechend dimensionierte, kleinere Ventilatoren im Verlauf der Lutte anzuordnen (Bild 5-15).
193
Bild 5-15: schematischer Druckverlauf bei der Anordnung mehrerer Luttenabschnitte mit Ventilator zwischen den Abschnitten
Erklärung zu den nachfolgenden Diagrammen: Gegeben sind die Grössen x x x x x x
Güte der Lutte (S; A; B) Länge der Lutte (L) Durchmesser der Lutte (d) Statischer Druck pi,1 am Luttenabschnittsanfang Statischer Druck pi,0 am Luttenabschnittsende Lage des Luttenabschnittes im Lüftungssystem, ausgedrückt durch den statischen Druck p0 am Luttenende x Luftmenge Q0 am Abschnittsende
Herausgelesen werden x die Luftmenge Q1 am Abschnittsanfang relativ zu Q0 am Abschnittsende x der statische Überdruck p1 in der Lutte beim Ventilator am Abschnittsanfang Berechnung der erforderlichen Ventilationsleistung: Kontinuitätsgleichung: Q1 = Q0 + 'Q (f0, u, p)
[m3/s]
Q1 Q0 'Q (f0, u, p) f0(S; A; B)
[m3/s] [m3/s] [m3/s] [mm2/m2]
Erforderliche Ventilatorsaugleistung Erforderliche Luftmenge am Luttenende Leckverlustmenge in Abhängigkeit von f0, u, p Undichtigkeit der Lutte (Klassen S, A und B [57]) 194
Der Gesamtdruck am Ventilator pVent [Pa] ergibt sich aus der Bernoulli’schen Gleichung [57]: p vent p1
U 2 U u1 ¦ ] i u i2 p1 2 2 i p0
pVent U 2 u1 2
¦ ]i i
U 2 u0 'p O, L / d, f 0 , ui 2
U 2 ui 2
u0 u1 p0 p1
U 2 u0 2 'p(O,L/d,f0,ui) O AL d L
[Pa]
; f0= f0(S; A; B)
[Pa]
Gesamtdruck am Ventilator (vor Punkt 1)
[Pa]
Dynamischer Druck am Luttenanfang
[Pa]
Einzelverluste aus Eintritts-, Schutzgitter-, Krümmungs-, Verengungs- und Erweiterungsverlusten Luftaustrittsgeschwindigkeit (Punkt 0) Lufteintrittsgeschwindigkeit (Punkt 1) Druck am Luttenende Statischer Druck am Ventilator, zusammengesetzt aus Reibungsverlust der Luttenwand, Leckverlust durch Undichtigkeit und Ausblasverlust (wird mit Hilfe der Diagramme ermittelt).
[Pa] [m/s] [m/s] [Pa] [Pa]
Dynamischer Druck am Luttenende
[Pa]
Druckverlust entlang der Lutte Gemittelter Rohrreibungskoeffizient der Lutte Luttenquerschnitt Durchmesser der Lutte Luttenlänge
[Pa] [-] [m2] [m] [m]
195
Die Berechnung von Q1 und p1 mit Hilfe der Diagramme wird wie folgt durchgeführt: Ventilatorleistung Q1 [m3/s]
30
§ · ¨ p L ¸ 0 0 ¨ ; ; f (S; A; B) ¸ Z ¨ U u2 d ¸ ¨ ¸ 0 ©2 ¹
Q1 Q0 [m3/s]
Q1 = Zu Q0 AL
d2 u S 4
[m2]
u1
Q1 AL
[m/s]
u0
Q0 AL
[m/s]
Statischer Druck am Ventilator p1 [Pa]
30
p1
§ · ¨ p L ¸ ¨ 0 ; ; f 0 (S; A; B) ¸ 3 1 ¨ U u2 d ¸ ¨ ¸ 0 ©2 ¹ U 3 1 u02 2
p1 d p
p1 U 2 u0 2
Der zulässige Luttendruck darf nicht überschritten werden.
[Pa]
zulässiger Luttendruck
[Pa]
Mittels der Parameter u1 und p1 kann pvent bestimmt werden. Zur Ermittlung des optimalen Ventilators muss die Luttenkennlinie p-Q aufgestellt werden. Dies geschieht durch die Wiederholung des obigen Rechengangs für verschiedene Bauabschnittslängen Li bei konstantem Q0. Die Luttenkennlinie wird in die jeweilige Ventilator-Drosselkurve eingetragen, um das optimale Gerät in Abhängigkeit seiner Umdrehungszahl mit den optimalen Betriebsbedingungen für die 196
verschiedenen Bauabschnittslängen Li zu ermitteln (siehe analog Pumpen-Rohrleitungskennlinie bei der Flüssigkeitsförderung in Kapitel 4). Aus der Luttenkennlinie bestimmt man max max max ( Q1 ; p vent ) = f (L Tunnel ) zur Dimensionierung der maximalen elektrischen Anschlussleistung des Ventilators. p1(Li) K[%]
ni+1 [U/min]
K4
K 9 0%
n2
K 8 0%
ni
Leistungskennlinien des Ventilators
n1 p0(L1=0)
Luttenkennlinie Tunnelanfang L1
Q1,1(L1)
Tunnelende LT
Q1,n(LT)
Q1,i (Li) [m3/h]
Bild 5-16: Dimensionierung des Ventilators
Elektrische Anschlussleistung des Ventilators N [kW]
N
p Q1 u vent u 10 3 K vent KMotor
Kvent KMotor
[kW]
Ventilatorwirkungsgrad Motorenwirkungsgrad
197
[-] [-]
Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse S: O = 0.015
f0(S) = 5 u 10-6 m2/m2 = 5 mm2/m2
saugend p1 Q1 u1
Unterdruck
d
p0 Q0 u0
L blasend p1 Q1 u1 Luttenanfang
Überdruck
d
p0 Q0 u0 Luttenende
L/d Bild 5-17: Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse S
198
Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse A: O = 0.018
f0(A) = 10 u 10-6 m2/m2 = 10 mm2/m2
saugend p1 Q1 u1
Unterdruck
d
p0 Q0 u0
L blasend p1 Q1 u1 Luttenanfang
Überdruck
d
p0 Q0 u0 Luttenende
L/d Bild 5-18: Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse A
199
Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse B: O = 0.024
f0(B) = 20 u 10-6 m2/m2 = 20 mm2/m2
saugend p1 Q1 u1
Unterdruck
d
p0 Q0 u0
L blasend p1 Q1 u1 Luttenanfang
Überdruck
d
p0 Q0 u0 Luttenende
L/d Bild 5-19: Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse B
200
6 Spezialtiefbau Jetgrouting Rammen
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_6, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
6.1 Jetgrouting Die Strahlenergie E [J] des Düsenstrahls repräsentiert die Schneidkraft eines Flüssigkeitsstrahls und beträgt [2]:
E
m u v2 2
E m v
[J]
Strahlenergie Injektionsmedium-/suspension Strahlgeschwindigkeit
[J] [kg] [m/s]
Folgende Beziehungen gelten für den Kontrollbereich des Injektionsdüsenkopfs: Kontinuitätsgleichung: v G u A G vG AG vDü,aus ADü,aus
v Dü,aus u A Dü,aus
Geschwindigkeit im Bohrgestänge (vor Eintritt in die Düse) Querschnitt im Bohrgestänge Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse Querschnitt am Düsenaustritt
[m/s] [m/s] [m2] [m/s] [m2]
Druckverlust 'p [kN/m2] in der Düse
'p ] u U u 'p ] U
2 v Dü, aus 2
[kN/m2]
Druckverlust in der Düse Düsenabhängiger Verlustbeiwert Dichte der Injektionssuspension
202
[kN/m2] [-] [kg/m3]
Bernoulli: p G
U u v G2 2
pDü,aus
U 2 u v Dü, aus u (1 + ]) 2
[kN/m2]
mit
v Dü,aus u
A Dü,aus AG
v Dü,aus u E
[m/s]
vG
[kN/m2] [kN/m2] [-]
pG Injektionsdruck im Bohrgestänge pDü,aus Injektionsdruck am Düsenaustritt E Querschnittsverhältnis aus ADü,aus und AG
Somit beträgt die Düsenstrahlaustrittsgeschwindigkeit vDü,aus [m/s]: 2 u ( p G pDü,aus ) U u ( 1 ] E2 )
v Dü,aus
2 D u A Dü,aus u u U D
1 A Dü,aus
D
u
[m/s]
pG pDü,aus
1 1 ] E2
E
A Dü,aus AG
Düsenkorrekturfaktor
[-]
Austrittsmenge an Injektionsgut QSuspension [m3/s] QSuspension
S u d2 u v Dü,aus 4
[m3/s]
QSuspension d
Injektionsvolumenstrom am Austritt Düsendurchmesser
[m3/s] [m]
203
'p L,ges
'p Pa
Pumpendruck - manometrischer Druck
pM
Pumpenachse
AS, vS Suspensions- Saugleitung behälter
AL, vL, O
AG, vG
ADü,aus, vDü,aus
Zuleitung
Bohrgestänge
Düse
pS
'p B p Dü,aus
lD lS
'p Pe 'p S
p0
p G (lG ,k,Re)
Hochdruckpumpe
p L (lL ,k,Re)
Drucklinie
ȡ 2 vG 2
pD
'pDü 'p GK 'p G
'p L,G
U 2 vL 2
Drücke
Druckleitung
Achtung: hgeod kann vernachlässigt werden Bohrgestänge 10 - 20 m
System
Behälter
Pumpe
lS
lD
Injektionsbereich
10 - 20 m
Bild 6-1: Ermittlung des erforderlichen manometrischen Pumpendrucks
204
Saugleitungsdruck pS [kN/m2] [kN/m2]
p0 'pB 'pS 'pPe
pS
[m3/s]
AS u vS
Q Suspension pS p0 'pB 'pS
Druck in der Saugleitung Druck im Suspensionskessel (meist atmosphärisch) Druckverlust am Austritt aus dem Behälter Druckverlust in der Saugleitung (siehe „Flüssigkeitsförderung“)
[kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2]
'pPe AS vS
Druckverlust beim Eintritt in die Pumpe Querschnitt der Saugleitung Geschwindigkeit in der Saugleitung
[kN/m2] [m2] [m/s]
Druckleitungsdruck pD [kN/m2]
'pPa 'pL,ges 'pL / G 'pG 'pGK
pD
'pDü QSuspension
vS
A Dü,aus
pD 'pPa 'pL,ges 'pL/G 'pG 'pGK 'pDü pDü,aus
AS
[kN/m2]
U 2 v Dü,aus pDü,aus 2
AG u vG
v Dü,aus ;
A Dü,aus u v Dü,aus
vL
A Dü,aus AL
AL u vL
v Dü,aus ;
vG
AS u vS
A Dü,aus AG
v Dü,aus ;
Druck in der Druckleitung Druckverlust beim Austritt aus der Pumpe Druckverlust in der Zuleitung von der Pumpe zum Bohrgestänge (siehe „Flüssigkeitsförderung“) Übergangsverlust Zuleitung – Bohrgestänge Druckverlust im Injektionsgestänge (siehe Kapitel „Flüssigkeitsförderung“) Druckverlust durch die Strahlumlenkung (90°) am Fusspunkt des Gestänges in die Düse Druckverlust durch Querschnittsänderung in der Düse Austrittsdruck aus der Düse im Bohrloch 205
[m3/s]
[kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2] [kN/m2]
Jetgrouting AL vL
[m2] [m/s]
Querschnitt in der Zuleitung Geschwindigkeit in der Zuleitung
Pumpendruck – manometrischer Druck pM [kN/m2] 'pL,ges
§ A Dü,aus · U 2 ¸¸ 'pL v Dü ,aus ¨ ¨ A 2 © ¹ L
2
¦ ] L,i
[kN/m2]
i
[kN/m2]
pM
pS pD
pM
p 0 'p S 'pL 'p G pDü,aus 2 2 § A · · § §A · ½ °¨¨ Dü,aus ¸¸ ] B ] Pe ¨¨ Dü,aus ¸¸ ¨¨ ] Pa ¦ ] L,i ¸¸ ° °© A S ¹ ¹ ° i U 2 © AL ¹ © v Dü ¾ ,aus ® 2 2 ° § A Dü,aus · ° ¸¸ ] L / G ] GK 1 ] Dü ° ¨¨ ° ¯ © AG ¹ ¿
pM 'pL ]B ]Pe ]Pa ]L,i ]L/G ]GK ]Dü
Manometrischer Druck Druckverlust durch Rohrreibung in der Zuleitung Verlustbeiwert für den Austritt aus dem Behälter in die Saugleitung Verlustbeiwert für den Eintritt in die Pumpe Verlustbeiwert für den Austritt aus der Pumpe Beiwerte für lokale Verluste in der Zuleitung (z.B. durch Krümmer, Kreisbögen) Verlustbeiwert für den Übergang von Zuleitung zum Gestänge (z.B. Querschnittsverengung etc.) Verlustbeiwert für die Strahlumlenkung (90°) am Fusspunkt des Gestänges in die Düse Verlustbeiwert für die Querschnittsveränderung an der Düse
[kN/m2] [kN/m2] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Anmerkung: Zur Berücksichtigung von Viskosität und UFF der Suspension siehe Flüssigkeitsförderung von Flüssigkeits-Feststoff-Gemischen in Kapitel 4.
206
Jetgrouting Kolbenpumpendimensionierung Siehe „Flüssigkeitsförderung“ in Kapitel 4. Folgende Pumpendrücke sind für die verschiedenen Injektionsverfahren notwendig [2]: Niederdruckverfahren Mitteldruckverfahren Hochdruckverfahren Höchstdruckverfahren
chemische Verfestigungen Soilfracturing-Verfahren HDI-Verfahren Gesteinszertrümmerung
bis ca. bis ca. bis ca. bis ca.
4 bar 100 bar 600 bar 4000 bar
Die Hochdruckinjektion muss auf folgende Bodenparameter eingestellt werden: x x x x
Druckfestigkeit, E-Modul Kohäsion, Scherfestigkeit Kornverteilung, Kornaufbau Permeabilität, Wassersättigungsgrad
Daraus werden die folgenden Düsenstrahlparameter ermittelt [2]: x x x x x x
Schneidleistung, Durchflussmenge, Ziehgeschwindigkeit Strahlgeschwindigkeit, Druck, Düsenform und -durchmesser Reichweite Injektionsmedium Einwirkzeit Rückflussmenge des gelösten Bodens sowie Bohrkopf- und Bohrgestängedurchmesser
Die Anwendungsgrenzen des HDI-Verfahrens werden von der maximalen vorhandenen Energie bestimmt. Die Hochdruckinjektionen werden mit Pumpendrücken von 300 – 600 bar durchgeführt. Die Düsen haben meist einen Durchmesser von 1.5 – 4.0 mm. Die Strahlgeschwindigkeiten liegen zwischen 150 und 300 m/s. Bei den vorgenannten Anwendungsparametern ist bei Verwendung von Zementsuspensionen ein Energiebedarf von ca. 250 kW notwendig. Der Einwirkbereich des Düsenstrahls hängt ab von: x der Strahlaustrittsgeschwindigkeit x der Festigkeit des zu erodierenden Bodens x dem Entspannungsdruck des abfliessenden Rückflussmaterials 207
Eine Verbesserung des Wirkungsradius wird durch Zugabe von Luftdruck (3 – 6 bar) erzielt; dadurch wird das erodierende Bodenmaterial aufgeschäumt und die Penetrationstiefe des Suspensionsstrahls erhöht. Die Suspensionsmischung hat oft folgende Charakteristik [58]: x x x x x
Wasser-Zementfaktor W/Z = 0.4 – 1.0 Zement und Füller 600 – 1000 l Rohdichte der Injektionssuspension U = 1.5 – 1.7 t/m3 Rohdichte der fertigen Injektionsbodensäule USoilcrete = 1.6 – 2.1 t/m3 Druckfestigkeit der fertigen Injektionsbodensäule fSoilcrete = 2 – 15 N/mm2
Der Durchmesser einer Säule kann empirisch wie folgt bestimmt werden: Das Volumen des ausgespülten Bodens entspricht der Durchflussmenge der Rückspülflüssigkeit QRücklauf [m3/s] QRücklauf
URücklauf U S u Q UBoden URücklauf Suspension
[m3/s]
Das Volumen des ausgespülten Bodens beim Triplex-Verfahren ergibt sich aus der Berücksichtigung der eingebrachten Volumina von Wasser und Injektionssuspension wie folgt: QRücklauf
URücklauf US W u Q Q UBoden URücklauf Suspension Wasser
[m3/s]
Die mittlere Rohdichte US+W [t/m3] der beim Triplex-Verfahren eingebrachten Flüssigkeiten (Wasser und Suspension) ergibt sich zu: U S W
Q W u U W Q Suspension u U S Q W Q Suspension
208
[t/m3]
Ziehgeschwindigkeit und Injektionssäulendurchmesser QSuspension
QSuspension | QInjektion QRücklauf QInjektion
QSuspension QRücklauf
QInjektion
§ URücklauf US QSuspension u ¨¨1 © UBoden URücklauf
VInjektion
VBoden u KFüll
QInjektion
VInjektion u vZiehen
VBoden
D2 u
QRücklauf
· ¸¸ ¹
S 4
VBoden
QInjektion
D Bild 6-2: Erstellung einer Säule
Ziehgeschwindigkeit vZiehen [m/s]
v Ziehen
QInjektion VInjektion
§ URücklauf US Q Suspension u ¨¨1 U Boden URücklauf © S D 2 u u KFüll 4
· ¸ ¸ ¹
[m/s]
Injektionssäulendurchmesser D [m]
D
1m
§ URücklauf U S Q Suspension u ¨¨1 © UBoden URücklauf S v Ziehen u u KFüll 4
· ¸ ¸ ¹
[m]
QRücklauf Durchflussmenge der Rückspülflüssigkeit [m3/s] QSuspension Durchflussmenge der Suspension (Gesamtmenge) [m3/s] 209
QInjektion QWasser URücklauf US U W UBoden vZiehen KFüll VBoden VInjektion
Suspensionsvolumenstrom, der in das Bodenvolumen VBoden injiziert wird Durchflussmenge des Wassers Dichte der Rückspülflüssigkeit Dichte der Suspension Dichte des Wassers Dichte des vorhandenen Bodens Ziehgeschwindigkeit des Injektionsgestänges Füllanteil der Zementinjektion am Bodenvolumen (20 – 30 %) Bodenvolumen der Injektionssäule pro Meter Länge Suspensionsmenge pro Meter Bodenvolumen der Injektionssäule
210
[m3/s] [m3/s] [t/m3] [t/m3] [t/m3] [t/m3] [m/s] [%] [m3/m] [m3/m]
6.2 Rammen Grundrammleistung für Pfähle Q0 [m/h]
'lS,m
Q0
100
Q0 'lS,m nGerät
u nGerät
[m/h]
Grundrammleistung für Pfähle mittlere Eindringtiefe pro Schlag Schläge pro Stunde
[m/h] [cm] [h-1]
Nutzrammleistung QN [m/h]
QN
Q 0 u k 1 u k 2 u k 3 u KG
[m/h]
k1
1
[-]
k2
f5
[-]
k3
K1 u K 2
[-]
QN Q0 k1 k2 k3 K1 K2 f5 KG
Nutzrammleistung Grundrammleistung für Pfähle nicht massgebend Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad
211
[m/h] [m/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Rammen Schlagrammen Ermittlung der erforderlichen Schlagenergie Eerf [kNm] [59] mB u g u h
E v orh E erf
Fstat (x)
Fdy n ' elast KR
Evorh mB g h Eerf Fdyn 'lS x 'elast KR Fstat AS qS AM WM U Pdyn L EP k mP
[kNm]
' Fdy n u ( 'lS ( x ) elast ) 2 KR u 100
[kNm]
A S u qS A M ( x ) u W M # A S u qS U u x u W M
Fstat P dy n
[kN] [kN]
Fdy n u
L EP u A S
[cm]
mB k 2 u mP mB mP
[-]
Energie des Rammbärs pro Schlag Fallmasse des Rammbärs Erdbeschleunigung Fallhöhe des Rammbärs erforderliche Energie zum Einrammen des Pfahls/ Rammguts dynamischer Eindringwiderstand bleibende Eindringtiefe pro Rammschlag Tiefe der Pfahl-/Rammgutspitze elastische Deformation des Pfahls/Rammguts Wirkungsgrad des Rammstosses [0.1 – 0.5] statischer Eindringwiderstand des Rammguts Querschnittsfläche des Pfahls/Rammguts Grundbruch-/Pfahlspitzenwiderstand Mantelfläche des Pfahls/Rammguts Mantelreibung (Haftreibung) des Pfahls/Rammguts Umfang des Pfahls/Rammguts Widerstandsbeiwert des Bodens Pfahllänge/Rammgutlänge Elastizitätsmodul des Pfahls/Rammguts Stossziffer Pfahl-/Rammgutmasse 212
[kNm] [t] [m/s2] [m] [kNm] [kN] [cm] [m] [cm] [-] [kN] [cm2] [kN/cm2] [m2] [kN/m2] [m] [-] [cm] [kN/cm2] [-] [t]
Rammen Selektion der Schlagramme durch Iteration Bedingung für die Ermittlung der erforderlichen Schlagenergie bei der Endtiefe des Rammguts: 'l S (L) | 0 ; Iteration für Gerät i = 1 bis k:
E erf ,i
Fdy n u ( 'lS (L )
' elast ) 2
mB,i k 2 u mP u 100 mB,i mP
1 L 2 Fdy ) nu( u 2 EP u A S mB,i k 2 u mP u 100 mB,i mP
[kNm]
Iterationslauf i = 1 bis k: Für i = 1: Annahme eines Rammgeräts mit der Fallmasse mB,1 L EP u A S u (mB,i mP ) 2 k u mP ) u 100
( A S u qS U u L u WM )2 u E erf ,i
2 u P 2dy n u (mB,i
[kNm]
Bedingung prüfen: Eerf ,i d E v orh,i mB,i u g u hi
wenn Eerf ,i ! E v orh,i dann i = i + 1 mit Geräteparameter der nächsten Leistungsstufe mB,i1 u hi1 ! mB,i u hi bis i = k mit
Eerf ,k d Ev orh,k
mB,k u g u hk [h-1]
nGerät,k i k nGerät
Iterationsschritt maximale Anzahl von Iterationsschritten Schläge des Rammbärs pro Stunde
213
[-] [-] [h-1]
Bild 6-3: Schematische Darstellung der ideellen/statischen Eindringung des Pfahls
Bei Freifall-, Diesel- und Hydraulikbären kann die Ermittlung der erforderlichen Energie zum Einrammen des Pfahls Eerf durch Iteration der obigen Gleichungen vorgenommen werden. In einem weiteren Schritt kann nun die mittlere bleibende Eindringtiefe 'lS,m pro Rammschlag ermittelt werden. Daraus kann dann die Grundrammleistung Q0 berechnet werden. Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass Diesel- bzw. Hydraulikbären eine höhere Energie des Rammbärs Evorh aufweisen als lediglich durch die Gleichung rechnerisch ermittelt. Dies ist bedingt durch die Ausnutzung der Explosionsenergie bzw. des besseren kraftschlüssigen Verbunds zwischen Rammkissen und Pfahl. Auch tragen die ständigen Bewegungen des Systems zur Verringerung der Eindringwiderstände (dynamische statt statische Reibung) bei schnellerer Schlagfrequenz, wie den Diesel- und Hydraulikrammen, und zu einer höheren erreichbaren bleibenden Eindringtiefe pro Rammschlag 'lS,m bei.
214
Bestimmung der mittleren Eindringtiefe 'lS,m [cm] und der Grundrammleistung Q0 [m/h]
E vorh
E erf
[kNm]
mB u g u h A S u qS U u x u WM P dyn
§ ·· § A u qS U u x u WM L ¸¸ u ¨ 'lS ( x ) ¨ S u ¨ ¨ 2 u EP u A S ¸¹ ¸¹ P dyn © © mB k 2 u mP u 100 m B mP
F
100 u mB u g u h u KR u P dyn
D
A S u qS
E
U u WM
J
2 u EP u A S u P dyn L
§ D2 · E ¨F ¸ x u u (E u x 2 u D ) ¨ ¸ J ¹ J © mit 0 d x d L xuE D
'lS ( x ) 'lS [cm]
'lS(0) = FDDJ Vereinfachung 'lS(x) 'lS,m 'lS(L)
0
L
215
x [m]
Für x = 0: l S (0)
2 u 'l S,m
E vorh § · qS u L ¸ u (mB mP ) A S u qS u ¨ 2 u 'lS,m ¨ 2 u P dyn u EP ¸¹ © P dyn u (mB k 2 u mP ) u 100
[kNm]
Daraus lässt sich 'lS,m ermitteln:
'lS,m 2 · qS u L 1 §¨ E vorh u P dyn u (mB k u mP ) u 100 ¸ u 2 ¨© (mB mP ) u A S u qS 2 u P dyn u EP ¸¹
[cm]
Grundrammleistung Q0 [m/h]
Bei bekannter Schlagzahl nGerät [h-1] des Rammgeräts lässt sich die Grundrammleistung Q0 berechnen: Q0
'lS,m u nGerät 100
[m/h]
Die mittlere Schlagzahl pro Pfahl nPfahl [-]
nPfahl
L 'lS,m
[-]
Rammzeit TR pro Pfahl [h]
TR
nPfahl nGerät
L 100 u Q 0
[h]
216
Zeitaufwand pro Pfahl TPfahl [h]
TPfahl
¦ (TR i
TRüst
TRüst )i 60
[h]
TP,um TP,auf TP,aus TP,verl
TPfahl TRüst TP,um
Zeitaufwand pro Pfahl Rüstzeit Zeit für das Umsetzen des Geräts zum nächsten Rammpfahl Zeit für das Aufnehmen des angelieferten Pfahls Ausrichten des Pfahls am Mäkler Verlängern des Pfahls
TP,auf TP,aus TP,verl
[h] [h] [min] [min] [min] [min] [min]
Anzahl der Pfähle pro Tag nAT [AT-1]
§ TAT · ¨¨ ¸¸ © TPfahl ¹
n AT nAT
[AT-1]
Anzahl der gerammten Pfähle pro Arbeitstag, ganzzahlig aufgerundet Arbeitsstunden pro Arbeitstag
TAT
[AT1 ] [h/A T]
Gesamtrammzeit T [AT]
T
n nAT
T n
[AT] Rammzeit für alle Pfähle Gesamtanzahl Rammpfähle
[AT] [-]
Leistung über die Einsatzzeit QET [m/AT]
QET
n u Lm / T
¦ Li / T
[m/AT]
i
n Lm Li
Gesamtanzahl Rammpfähle Mittlere Pfahllänge Einzelpfahllänge
217
[-] [m] [m]
Tabelle 6-1: Grundbruch-/Pfahlspitzenwiderstand qS [kN/cm2] und Mantelreibung WM [kN/m2] [59]
Grundbruch-/ Pfahlspitzenwiderstand
Mantelreibung
qS [kN/cm2]
WM [kN/m2]
Bodenart
Rechteckprofil
I – Trägerprofil
Rechteckprofil
I – Trägerprofil
Ton, weich
–
–
15
bis 25
Ton, steif
–
–
30
bis 45
Klei, sandig
–
–
–
bis 50
Mergel, halbfest
–
–
–
bis 55
Feinsand
0.70 – 1.20
0.30 – 0.50
50 – 70
40 – 80
Mittelsand
0.70 – 1.20
0.30 – 0.50
50 – 70
30 – 70
Grobsand
0.45 – 0.65
0.30 – 0.50
40 – 70
30 – 50
Kies
0.70 – 1.25
0.30 – 0.50
50 – 70
30 – 60
Tabelle 6-2: Widerstandsbeiwert PDyn [-] des Bodens [58]
Widerstandsbeiwert PDyn [-] | 1.0
Beschreibung des Bodens gut rammbar mittelmässig rammbar
| 0.7
schwierig rammbar
| 0.5
Tabelle 6-3: Stossziffer k [-] nach [59]
Bär – Schlaghaube – Pfahlkopf Stahl – Stahl (ohne Schlaghaube)
Stossziffer k [-] | 0.6
Stahl – Holz – Stahl
| 0.5
Stahl – Holz (ohne Schlaghaube)
| 0.4
Stahl – Holz - Stahlbeton
| 0.3
218
Bild 6-4: Kraft–Zeit–Diagramm für Dieselbären (Explosionsrammen) [61]
Grundrammleistung für Spundbohlen Q0 [m2/h]
Q0 Q0 b l t
bul t
[m2/h] Grundrammleistung für Spundbohlen Breite der Spundbohle Einbindetiefe der Spundbohle Rammzeit pro Spundbohle
219
[m2/h] [m] [m] [h]
Nutzrammleistung QN [m2/h]
QN
[m2/h]
Q 0 u k 1 u k 2 u k 3 u KG
k1
1
[-]
k2
f5
[-]
k3
K1 u K 2
[-]
QN Q0 k1 k2 k3 K1 K2 f5 K G
Nutzrammleistung Grundrammleistung nicht massgebend Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad
[m/h] [m/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Der Berechnungsablauf zur Ermittlung von
Zeitaufwand pro Spundbohle Anzahl der gesetzten Spundbohlen pro Tag Gesamtrammzeit Leistung über die Einsatzzeit
kann vom vorigen Kapitel „Rammen von Rammpfählen“ übernommen werden.
220
Vibrationsrammen Prinzip der wirkenden Fliehkräfte F [kN] einer Vibrationsramme mit mehreren Unwuchten Kräfte einer Unwucht: Fi
m i u Z2 u r
[kN]
mit [s-1]
Z 2u Su f f
1 T
[Hz]
a
Z2 u r
[m/s2]
Fi, V
mi u Z2 u r u sin M
[kN]
Fi,H
mi u Z2 u r u cos M
[kN]
Fi mi Z r f T a M Fi,V Fi,H i
Fliehkraft einer Unwucht i Masse der Unwucht i Kreisfrequenz der Unwucht Abstand des Massenschwerpunktes der Unwucht i von der Auflagerung Frequenz der Vibrationsramme/Unwucht Umlaufzeit der Unwucht radiale Beschleunigung Winkel der Unwuchtstellung vertikaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden Unwucht i horizontaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden Unwucht i Bezeichnung der Unwucht i
221
[kN] [t] [s-1] [m] [Hz] [s] [m/s2] [°] [kN] [kN] [-]
Bild 6-5: Vibrationsramme und wirkende Kräfte nach [62]
222
Dynamische Grössen der Vibrationsramme Summe der Unwuchtkräfte: FVZ
n
¦ Fi, V
i 1
i 1
Mstat u Z2 u sin M
n
¦ mi u ri
Mstat FHZ
n
2 ¦ mi u ri u Z u sin M
[kN] [tm]
i 1 n
¦ Fi,H
[kN]
0
i 1
Gesamte vertikale Kraft des Rammbärs: FV, tot
n
mBär u g ¦ mi u ri u Z2 u sin M
G FVZ
i 1
[kN]
2
mBär u g Mstat u Z u sin M Dynamische Masse des Rammsystems: m dyn
mBär mRammgut mBoden
[t]
f M c; c c; J c; w
m Boden
[t]
Effektive Beschleunigung der Rammmassen: n
amax
Z2 u r
für ri
r
Z2 u
¦ mi u ri
[m/s2]
i 1
mdyn
const. gilt n
a max FVZ Fi,V mi ri Z
¦ mi
[m/s2]
Z2 u r u i 1 m dyn
Summe der vertikalen Anteile der Fliehkräfte vertikaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden Unwucht i Masse der Unwucht i Abstand des Massenschwerpunktes der Unwucht i vom Auflager Kreisfrequenz der Vibrationsramme 223
[kN] [kN] [t] [m] [s-1]
M Mstat FHZ Fi,H FV,tot G mBär g mdyn mRammgut mBoden M’ c’ J’ w amax i n
Winkel der Unwuchtstellung statisches Moment der Vibrationsramme Summe der horizontalen Anteile der Fliehkräfte horizontaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden Unwucht i Summe aller vertikal wirkenden Kräfte Eigengewicht der Vibrationsramme Masse der Vibrationsramme Erdbeschleunigung dynamische Masse des Rammsystems Masse des Rammgutes Masse des mitschwingenden Bodens Reibungswinkel des Bodens Kohäsion des Bodens Spezifisches Gewicht des Bodens Wassergehalt des Bodens effektive Beschleunigung Bezeichnung der Unwucht Anzahl der Unwuchtmassen n ^ n n 2 u m; m 1`
224
[°] [tm] [kN] [kN] [kN] [kN] [t] [m/s2] [t] [t] [t] [°] [kN/m2] [kN/m3] [%] [m/s2] [-] [-]
Selektion der Vibrationsramme Erforderliche vertikale Fliehkraft FVZ,erf [kN] der Vibrationsramme aus Bsp: Zum Rammen eines Rammgutes mit 4.5 t Gewicht ist bei einer Eindringtiefe von 30 m sowie dicht gelagerten Sanden und Kiesen eine vertikale Fliehkraft von ca. 2280 kN erforderlich. Bild 6-6:
FVZ, erf
°lmax , mRammgut ® dyn °¯ qS u A S WM u A M Rammbarkei t
½° ¾ I y IV °¿
[kN]
Erforderliche Mindesteigenfrequenz Zerf der Vibrationsramme aus Tabelle 6-4: Zerf = f(Bodenart) Bestimmung der Vibrationsramme – Iterationsablauf i=1 bis k Iterationsschritt i: Gerätewahl i mit: MStat,i und Zi > Zerf Ermittlung der vorhandenen maximalen Unwuchtkräfte mit M 90 sin M 1: FVZ,i
MStat,i u Zi2
Zerf ,i
FVZ,erf Mstat,i
Bedingungen prüfen: FVZ,erf d FVZ,i Zi ! Zerf ,i
falls:
FVZ,i FVZ, erf Zi ! Zerf ,i oder FVZ,i FVZ,erf Zi Zerf ,i oder FVZ,i ! FVZ,erf Zi Zerf ,i dann nächste Iteration i=i+1
Letzte Iteration i=k falls:
FVZ,k ! FVZ,erf Zi ! Zerf ,i 225
FVZ,erf Zerf i k MStat,i Zi
Erforderliche vertikale Fliehkraft der Vibrationsramme, um das Rammgut in die spezifischen Böden einzubringen (s. Bild 6-6) Eigenfrequenzbereiche der Böden bzw. erforderlicher Kreisfrequenzbereich der Vibrationsramme (s. Tabelle 6-4) Iterationsschritt Letzter Iterationsschritt Statisches Moment der Vibrationsramme i Maximale Eigenfrequenz der Vibrationsramme i (Eigenfrequenzbereich)
[kN] [min-1] [-] [-] [tm] [min-1]
Für einen optimalen Rammvorgang sollte die Frequenz der Vibrationsramme im Bereich nahe der Eigenfrequenz des Bodens gewählt werden.
226
Kurve
Rammbarkeit
Sand- und Kieslagerung
bindige und schluffige Böden
I
sehr schwer
sehr dicht
sehr hart
II
schwer
dicht
hart
III
mittelschwer
mittel
plastisch
IV
leicht
locker
weich
Bsp:
Zum Rammen eines Rammgutes mit 4.5 t Gewicht ist bei einer Eindringtiefe von 30 m sowie dicht gelagerten Sanden und Kiesen eine vertikale Fliehkraft von ca. 2280 kN erforderlich.
Bild 6-6: Diagramm zur Bestimmung der erforderlichen vertikalen Fliehkraft FVZ,erf [61]
227
Tabelle 6-4: Eigenfrequenzen ausgesuchter Bodenarten nach [59]
f [Hz]
Z [min-1]
Moorboden
10 – 13
3800 – 4900
Mittelsand
15 – 18
5650 – 6800
Lehmiger Boden
21 – 23
7900 – 8700
Lehm feucht
19 – 20
7150 – 7550
Lehm trocken
20 – 22
7550 – 8300
Sand fest
26 – 28
9800 – 10550
Schluffsand
19 – 20
7200 – 7550
Löss trocken
23 – 24
8700 – 9050
Bodenart
Funktionsweise von Vibrationsrammen: Herkömmliche und Vibrationsrammen mit variabler, computergesteuerter Fliehkraft.
Bild 6-7: Herkömmliche Vibrationsrammen
Bild 6-8: Vibrationsrammen mit variabler Fliehkraft
228
Bild 6-9: Variable vertikale Fliehkraft – Prinzip der Unwuchtstellung
Legende zu Bild 6-7, Bild 6-8 und Bild 6-9: tan – Anlaufphase taus – Auslaufphase
tb – Betriebsphase; TG – Gesamtbetriebszeit
229
7 Hochbau Krane Betonanlagen Stahlbetonarbeiten
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_7, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
Krane 7.1 Krane Theoretische Leistung QT [t/h] und Nutzleistung QN [t/h] von Kranen
mmax m0 u 3600
QT
QN
[t/h]
tS
QT u k1 u k 2 u k 3 u KG
[t/h]
M d mmax m 0
[t]
k1
1
[-]
k2
f 2 u f5
[-]
k3
K1 u K2
[-]
QT QN mmax m0 M tS f2 f5 K1 K2 k1 k2 k3 KG
theoretische Leistung Nutzleistung/Dauerleistung zulässige Hubmasse Masse der Lasthalterung (Haken-, Betonkübelgewicht etc.) geförderte Menge (maximal: mmax - m0) Grundspielzeit Hebe- und Absetzgenauigkeit Gerätezustandsfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad (0.5 – 0.85)
232
[t/h] [t/h] [t] [t] [t] [s] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]
Krane Tabelle 7-1: Anhaltswerte zur Ermittlung der Grundspielzeit tS [s] nach [63]
Zeit tH tsch tK tA
Einheit [s/m] [s/D°] [s/m] [s]
tE
[s]
Bewegung Hub- bzw. Senkzeit des Hakens Schwenkzeit des Krans Fahrzeit der Laufkatze Zeit für das Anhängen der Last bzw. Füllen des Betonkübels Zeit für das Entleeren des Kübels bzw. Abhängen von Lasten
Wert 1 – 20 0.1 – 0.2 1–3 30 – 180 30 – 180
Die Grundspielzeit tS [s] ergibt sich je nach Einsatzbedingungen aus sequentiellen und parallelen Vorgängen.
Vorgang
Turmdrehkran Liebherr 140 EC-H6
Last anhängen Heben Schwenken Katze fahren Absenken Last abhängen Anheben Katze fahren Schwenken Absenken 60s
73s
34s
73s
Grundspielzeit tS = 240s Bild 7-1: Beispiel für eine Grundspielzeit tS [s] des Turmdrehkrans 140 EC-H6 von Liebherr
233
Krane Tabelle 7-2: Richtwerte zur Abschätzung: Anzahl Arbeitskräfte/Kran [18], [63], [64]:
Beschäftigte pro Kran 15 20 – 30 15 – 20 3– 5
Bauwerkstyp Mauerwerksbau Betonbau, Betonieren mittels Rohrförderung Betonbau, Betonieren mit Kran Fertigteilmontage Richtwerte zur Abschätzung: Kranförderleistung Baustoffbedarf / m3-Bruttogebäuderauminhalt [63]:
im
Hochbau
–
Tabelle 7-3: Richtwerte zur Abschätzung der Kranförderung im Hochbau [63], [64]:
Baustoffbedarf pro m3-Bruttogebäuderauminhalt durchschnittliche Förderleistung
0.35 – 0.65 t 300 – 500 t/(Schicht u. Monat)
Tabelle 7-4: Kranaufwandswerte [63]
Vorgang Konventionelle Deckenschalung Deckenschaltische Stützenschalung Grossflächige Wandschalung Bewehrung – Matten Bewehrung – Stabstahl Fertigteilplatten Fertigteilstützen Fundamente betonieren Wände betonieren Stützen betonieren Decken betonieren Mauerwerksbau
Aufwand 0.02 – 0.09 h/m2 0.02 – 0.03 h/m2 0.02 – 0.05 h/m2 0.04 – 0.08 h/m2 0.30 – 0.60 h/t 0.20 – 0.35 h/t 0.15 – 0.20 h/St. 0.50 – 0.90 h/St. 0.05 – 0.09 h/m3 0.08 – 0.15 h/m3 0.15 – 0.35 h/m3 0.06 – 0.12 h/m3 0.15 – 0.25 h/m3
234
7.2 Betonanlagen Betonmischer QN
VN u n u k 2 u k 3 u KG
[fm3/h]
Q0
VN u n
[fm3/h]
~ Q0 ~ QN
VN u n u k V
[lm3/h]
VN u n u k V u k 2 u k 3 u KG
[lm3/h]
VN,lose kV
[lm3/h]
VN u k V
1 GBet,i
f1; f2 ; f3 ; f4
[-]
1
[-]
k2 = f5
k3
K1 u K2
VN VN,lose Q0 QN ~ Q0 ~ QN n GBet,i f5 K1 K2 kV k2 k3 KG
[-] [-] [fm3]
Nenninhalt des Mischers ԑ Volumen des mit einem Arbeitsspiel herstellbaren Frischbetons im verdichteten Zustand (Verdichtungsmass 1.45) [65] Volumetrischer Inhalt des Mischers in losem Zustand Grundmischleistung verdichteter Beton Nutzmischleistung verdichteter Beton Grundmischleistung unverdichteter Beton
[lm3] [fm3/h] [fm3/h] [lm3/h]
Nutzmischleistung unverdichteter Beton
[lm3/h]
Spiele pro Stunde Verdichtungsfaktor (Tabelle 7-5) Gerätezustandsfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen im Verladebereich auf den Transporter Ladefaktor des Mischers Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad
[h-1] [fm3/lm3] [-] [-] [-]
235
[-] [-] [-] [-]
Anzahl der Arbeitsspiele pro Stunde n [h-1] [3]:
x Trommelmischer x Zwangsmischer
20 30
Tabelle 7-5: Verdichtungsfaktor GBet,i [-] [66]:
GBet,i
Bezeichnung
GBet,i 0.83
steifer Beton
GBet,i = 0.83 – 0.93
plastischer Beton
35 – 41 cm
GBet,i = 0.93 – 0.98
weicher Beton
42 – 48 cm
GBet,i § 1
fliessfähiger Beton
49 – 60 cm
Geräteausnutzungsgrad KG [-]
KG
Ausbreitmass
=
0.8 – 0.9
236
---
Betonpumpen P
~ QT u p 36 u K W
[kW]
~ Q0
~ Q T u Mk
[m3/h]
~ QN
~ Q T u Mk u k 2 u k 3 u KG
[m3/h]
~ Q T u k 1 u k 2 u k 3 u KG ~ Q0 u GBet,i u k 2 u k 3 u KG
[fm3/h]
QN QN k1
[fm3/h]
GBet,i u Mk
f1; f4
[-]
1
[-]
k2
f 2 u f3 u f5
[-]
k3
K1 u K2
[-]
P ~ QT ~ Q0
~ QN QN p KW GBet,i Mk f2 f3
f5 K1
Pumpenleistung (Motor) theoretische, volumetrische Förderleistung – unverdichteter Beton Grundförderleistung (unverdichteter Beton unter Berücksichtigung der Kolbenfüllung) Nutzförderleistung – unverdichteter Beton
[kW] [m3/h]
Nutzförderleistung – verdichteter Beton massgebender Betondruck an der Betonpumpe Wirkungsgrad der Pumpe (~ 0.7) Verdichtungsfaktor des Betons (Tabelle 7-5) Kolbenfüllungsgrad Beschickung des Trichters 3/4 bis voll: f2 = 1 1/2 bis 3/4: f2 = 0.8 Entleerungsgenauigkeit/Umsetzhäufigkeit des Betonverteilerschlauchs: f3 = 1 Decke: kleine Stützen: f3 = 0.5 – 0.7 f3 = 0.7 – 1.0 Wände: Gerätezustandsfaktor |1 Bedienungsfaktor am Betonverteilerschlauch (Mensch)
[fm3/h] [bar] [-] [-] [-] [-]
237
[m3/h] [m3/h]
[-]
[-] [-]
K2 k1 k2 k3 KG
Betriebsbedingungen am Betonverteilerschlauch Beladungsfaktor der Pumpe Leistungseinflussfaktor (Beschickung) Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad (z.B. durch effektiven Betrieb der Pumpe von nur 45 min/h: 0.75)
Tabelle 7-6: Grenzwerte von Betonpumpen
Förderleistung von Betonpumpen Förderweite Förderhöhe
140 m3/h 1200 m 450 m
238
[-] [-] [-] [-] [-]
Bild 7-2: Grundförderleistung Q0 [m3/h] [67]
239
7.3 Stahlbetonarbeiten
Stahlbetonarbeiten
Zur Berechnung der Leistung bei Stahlbetonarbeiten muss man die Aufwandswerte für die Arbeitsgänge Schalen, Bewehren und Betonieren systematisch ermitteln. Eine mögliche Einteilung der Arbeitsgänge in weitere Tätigkeiten ist in Bild 7-3 dargestellt. Die Aufwandswerte für die einzelnen Tätigkeiten können der Fachliteratur [68] entnommen werden bzw. sind bei den Kalkulationsabteilungen der Baufirmen intern vorhanden. Arbeitsgänge
Tätigkeiten
Schalen
Vorbereitung Einschalen Ausschalen Nachbehandlung
Bewehren
Betonieren
Vorfertigung Einbau Mischen Einbringen Verdichten Oberflächenbehandlung
Bild 7-3: Einteilung der Arbeitsgänge und Tätigkeiten von Stahlbetonarbeiten
240
Der reale Gesamtstundenaufwand wird auf Basis des theoretischen Gesamtstundenaufwands unter Berücksichtigung der Abminderungsfaktoren bestimmt. Realer und theoretischer Gesamtstundenaufwand [h] TN,k TN,k TT,k k2 k3
ȘG k
1 1 1 TT,k k 2 k 3 KG
[h]
Realer Gesamtstundenaufwand des Arbeitsvorganges k Theoretischer Gesamtstundenaufwand des Arbeitsvorganges k Technische Abminderungsfaktoren z.B. Alter der Schalung Betriebsbeiwert mit Ș1 = Bedienungsfaktor (Qualifikation der Arbeiter) Ș2 = Betriebsfaktor (AVOR, Wetter, Platzverhältnisse) Geräteausnutzungsgrad (Konzentration, Nebenarbeiten, Zigarettenpausen) Arbeitsvorgänge: k = S: Schalen k = A: Bewehrungseinbau k = Bet: Betonarbeiten
241
[h] [h] [-] [-]
[-] [-]
Schalungstechnik Theoretischer Gesamtstundenaufwand zum Schalen TT,S,1 [h] TT,S,1 TT,S,1 aSi,j Aj aZ,k Zk j k
¦ ( ¦ aSi,j u A j ) ¦ (aZ,k u Zk )
[h]
Theoretischer Gesamtstundenaufwand des Ein- und Ausschalens Aufwandswert für die einzelnen Tätigkeiten i, für Systemschalungen: i = e: Einschalen und Ölen i = a: Ausschalen und Reinigen Fläche des geschalten Bauteils Zuschlag für Sonderarbeiten (Ecken, Aussparungen, Beischalarbeiten etc.) Leistungseinheiten für die Sonderarbeit, z.B. LE = m2, LE = Stück etc. unterschiedliche Schalbereiche, z.B. Unterzüge, Hauptdeckenflächen oder Wände und Stützen. Sonderarbeiten
[h]
j
i
k
[h/m2] [m2] [h/LE] [LE] [-] [-]
Theoretischer Gesamtaufwand zur Schalungsvorbereitung und Demontage TT,S,2 [h] TT,S,2 = ¦ a V,i × A S
[h]
i
TT,S,2 aV,i i AS
Theoretischer Gesamtaufwand zur Schalungsvorbereitung/Demontage Aufwandswert zur Montage bzw. Demontage der Schalung als Grosselemente, Deckentische etc. i = M: Montage/Zusammenbau i = D: Demontage Fläche der vorbereiteten bzw. demontierten Schalung
242
[h] [h/m2] [-] [m2]
Theoretischer Gesamtstundenaufwand für die Schalungsarbeiten TT,S [h] [h]
TT,S = TT,S,1 + TT,S,2
TT,S TT,S,1 TT,S,2
Theoretischer Gesamtstundenaufwand für die Schalungsarbeiten Theoretischer Gesamtaufwand des Einschalens und Ausschalens Theoretischer Gesamtaufwand zur Schalungsvorbereitung/Demontage
243
[h] [h] [h]
Bewehrungsseinbau Theoretischer Gesamtstundenaufwand zum Einbau der Bewehrung auf der Baustelle für ein Bauteil oder Bauwerk TT,A [h]
TT,A = ¦ TT,A,j
[h]
j
Theoretischer Gesamtstundenaufwand für Bewehrungsarbeiten des Durchmessers j: TT,A,j
(a A,b a A,ab a A,v ) j u mA,j aR u A S
[h]
TT,A,j
( ¦ a A,i ) j u mA,j aR u A S
[h]
m A, j
TT,A TT,A,j aA,i
mA,j aR AS lj gA,j j
i
l j u g A, j
[t]
1000
Theoretischer Gesamtaufwand zum Einbau der Bewehrung für ein Bauteil oder Bauwerk Theoretischer Gesamtaufwand zum Einbau der Bewehrung Ø = j Aufwandswert für die Tätigkeiten beim Einbau der Bewehrung, Tätigkeit: i = b: Biegen i = ab: Abladen i = v: Verlegen Masse der einzubauenden Bewehrung eines bestimmten Durchmessers Ø = j Aufwandswert für Reinigung der Schalung vor dem Betonieren Schalungsfläche Gesamtlänge der Bewehrung des Durchmessers Ø = j Masse der Bewehrung eines Durchmessers Ø = j pro m Durchmesser Ø der Bewehrung
244
[h] [h] [h/t]
[t] [h/m2] [m2] [m] [kg/m] [mm]
Theoretischer Gesamtstundenaufwand zum Einbau von Spanngliedern auf der Baustelle TT,Sp [h]
TT,Sp
¦ TT,Sp,j
[h]
j
Theoretischer Gesamtstundenaufwand für den Spanngliedereinbau des Typs j: TT,Sp,j TT,Sp TT,Sp,j aSp,i lSp,j aSp,k
n j
( ¦ aSp,i ) j u lSp,j ¦ aSp,k u n
[h]
Theoretischer Gesamtstundenaufwand zum Einbau der Spannglieder in ein Bauteil oder Bauwerk Gesamtaufwand zum Einbau der Spannglieder des Typs j Aufwandswert für den Einbau der Spannglieder, Tätigkeiten: i = h: Hüllrohr und Anker verlegen i = l : Litzen einschiessen Länge der Spannstähle des Typs j Aufwandswert für Tätigkeiten: k = v : Vorspannen k = p: Verpressen k = a: Anker einbetonieren Anzahl der Spannglieder Spannglied Typ
[h]
i
k
245
[h] [h/m] [m] [h/Stk]
[-] [-]
Für die Berechnung des Stundenaufwands für Bewehrungsarbeiten ist es notwendig, zuvor die Bewehrungsarbeiten systematisch und auf das Bauwerksteil bezogen zu untergliedern. In einem zweiten Schritt sind die Aufwandswerte aus gängigen Katalogen zu entnehmen oder Erfahrungswerte zu nutzen und in die Formel einzusetzen. Richtung Bauteil
Form - Platten
flächig
- Einzel
Korb
horizontal
Fundamente Decken
flächig stabförmig
Unterzüge
vertikal
Anschlussbewehrungen für Wände, Stützen etc.
- Teppichbewehrung - konventionell - Korb-/Balkenbewehrung - konventionell - Teppichbewehrung - konventionell - vorgefertigt - konventionell - konventionell
Wände
flächig
Stützen
stabförmig
Anschlussbewehrung für Decken, Wände
Grad der Vorfertigung
- Matten, vorgefertigt - konventionell - vorgefertigt - konventionell - konventionell
Bild 7-4: Systematische Untergliederung von Armierungsarten
246
Betonarbeiten Theoretischer Gesamtstundenaufwand für Betonarbeiten TT,Bet [h]
TT,Bet TT,Bet TT,R aBet,j VBet,j aZu,i,j
ABet,i,j
TT,R ¦ (aBet,j u VBet,j ¦ aZu,i,j u A Bet,i,j )
[h]
Theoretischer Gesamtstundenaufwand für Betonarbeiten Theoretische Rüstzeit für die Betonierarbeiten (Verlegen der Pumpleitung/Kübel an Kran anhängen bzw. reinigen, Anschluss Rüttler etc.) Aufwandswert für den Einbau des Betons im Bauteil j Gesamtbetonvolumen des Bauteils j Zusatzaufwand für Oberflächenbehandlung, Tätigkeiten: i = g : Abgleichen der Betonhöhe i = z : Abziehen der Oberfläche i = r : Abreiben/Glätten der Oberfläche Oberfläche des nachzubearbeitenden Betons des Bauteils j
[h]
j
i
247
[h] [h/m3] [m3] [h/m2]
[m2]
Die reale Dauer der einzelnen Arbeitsvorgänge DN,k [h] kann anhand der Gruppen- oder Kolonnenleistungen hergeleitet werden: Dauer der Arbeitsvorgänge: DN,k = DN,k TN,k mLE qN,Grup k n LE
TN,k m = LE n qN,Grup
[h]
Reale Dauer der Arbeitsgänge k Realer Gesamtstundenaufwand für die Arbeitsvorgänge k Menge der herzustellenden Leistungseinheiten Reale Gruppenleistung Arbeitsvorgänge: k = S: Schalen k = A: Bewehrungseinbau k = Bet: Betonarbeiten Leistungsmitglieder der Gruppe Leistungseinheit, z.B. m2; m3; Stück
[h] [h] [LE] [LE/h] [-] [-]
Beispiele für Gruppengrössen: n=4–5
Aufstellen der Grossflächenschalungen wie Wandelemente oder Deckentische
n=4–6
Verlegen von Bewehrung für Decken und Wände
n=4
Betonieren von Wänden und Decken, Betonierpumpe 1 Person, Verteilen auf Decke/Wand ca. 3 Personen
248
8 Faktoren Muldeninhalt Transportfahrzeuge VFSAE [m3] Nenninhalt des Grabgefässes VSAE [m3] Schüttdichte US [t/lm3] Lösefaktor D [fm3/lm3] Füllfaktor M [-] Bedienungsfaktor K1 [-] Betriebsfaktor K2 [-] Abbau-/Grabtiefenfaktor f1 [-] Schwenkwinkeleinfluss-/Fahrwegfaktor f2 [-] Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 [-] Schneiden-/Zahnzustandsfaktor f4 [-] Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor f5 [-] Geräteausnutzungsgrad KG [-] Kurvenwiderstandsbeiwert wk [‰] Rollwiderstandsbeiwert wr(W) [‰]
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_8, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
Überblick Die nachfolgend aufgeführten Faktoren können analog für die Leistungsberechnung bei unterschiedlichen Gerätegruppen verwendet werden. Faktoren, die nur speziell für ein bestimmtes Gerät benötigt werden, sind bei der Leistungsberechnung vom jeweiligen Maschinenhersteller (z.B. [6], [7]) zu erfragen.
VFSAE VSAE US D M K1 K2 f1 f2 f3 f4 f5 KG wK wR
Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Schüttdichte Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsfaktor Abbau-/Grabtiefenfaktor Schwenkwinkeleinfluss-/Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad Kurvenwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert
250
[Einheit] [m3] [m3] [t/lm3] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [‰] [‰]
LKW, SKW, Dumper Bezüglich des Muldeninhalts eines Fahrzeugs VFSAE sind nach SAENorm die gestrichene und die gehäufte Füllung zu unterscheiden. Transportfahrzeuge dürfen im öffentlichen Strassenverkehr mit Schüttgütern nicht über den gestrichenen Muldeninhalt VFSAE,1 hinaus beladen werden. Dies gilt auch für das Überqueren einer öffentlichen Strasse mit Baufahrzeugen. Lose, trockene und staubige Bodenmaterialien müssen für den Transport angefeuchtet bzw. abgedeckt werden, um eine Aufwirbelung während der Fahrt zu vermeiden. Fahrzeug im Strassenverkehr: Muldeninhalt = VFSAE,1 = gestrichene SAE-Füllung = Wassermass Für SKW und Dumper, die nur im Baustellenverkehr eingesetzt werden, kann neben der gestrichenen Füllung nach SAE auch der gehäufte Muldeninhalt VFSAE,2 angenommen werden [69]. Die gehäufte Füllung hat eine Böschungsneigung nach SAE-Norm von 1:2. Fahrzeug im Baustellenverkehr: Muldeninhalt = VFSAE,2 = gehäufte SAE-Füllung (1:2) Der Muldeninhalt gemäss SAE-Norm ist in den Prospekten der Fahrzeughersteller angegeben bzw. kann nach Bild 8-1 berechnet werden.
251
Bild 8-1: Muldeninhalt eines Fahrzeugs gemäss SAE-Norm [69]
252
Der Nenninhalt VSAE des Hochlöffels, des Tieflöffels und der Ladeschaufel ist definiert als deren gehäufte Füllung mit einer allseitigen Böschungsneigung nach SAE-Norm. Er wird vom Gerätehersteller angegeben oder kann mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen für Tieflöffel sowie Hochlöffel und Ladeschaufel errechnet werden [69], [70].
Dimensionierung von Baggerlöffeln Die Grösse von Grab- und Ladewerkzeugen und somit auch das maximale Fassungsvermögen VSAE können mit nachstehender Überschlagsformel überschlägig aus der Motorleistung P (kW) des Baggers berechnet werden [8]: [m3]
VSAE d 0.015 u P
In diese Formel geht die Lagerungsfestigkeit des Materials nicht ein. Die Formel ist nur anwendbar für locker gelagertes Material wie z.B. Sand. Fester gelagertes bzw. schwieriger zu lösendes Material wie z.B. fester Ton erfordert höhere Motorleistungen. Für eine entsprechende Ladeund Reissleistung muss das Gerät auch ein ausreichendes Gewicht aufweisen, um die Reaktionskräfte aufzunehmen.
253
Tieflöffel Der Nenninhalt (Kubikmeter Volumen) des Tieflöffels wird nach SAENorm berechnet, da die europäischen CECE-Richtlinien veraltet sind und keine Gültigkeit mehr haben [69], [70], [71].
A B b b1 b2 F VSAE
Öffnungsweite Schnittbreite Löffelbreite Innnenbreite vorn Innenbreite hinten Löffelquerschnittsfläche Nenninhalt des Tieflöffels
Bild 8-2: Geometrie eines Tieflöffels gemäss SAE-Norm [6]
3
VSAE
Fu
b1 b 2 A u b12 b1 2 4 12
[m3]
254
Hochlöffel und Ladeschaufel Für die Berechnung des Nenninhalts (Kubikmeter Volumen) von Hochlöffel und Ladeschaufel ist die Neigung der Häufung bei den beiden Normen SAE und CECE identisch [69], [70], [71]:
Bild 8-3: Geometrie einer Ladeschaufel [6]
A B b1 F y z VSAE
VSAE
Öffnungsweite Schnittbreite Innenbreite Löffelquerschnittsfläche Höhe des Überlaufblechs Vorsprung der Schneidelippe Nenninhalt der Ladeschaufel
F u b1
A u b12 b13 8 24
[m3]
255
Die Schüttdichte US dient zur Berechnung des Transportvolumens bzw. Transportgewichts von Transportfahrzeugen. Sie gibt die Dichte von losem z.B. auf eine LKW-Mulde geschüttetem bzw. gelöstem Material an. Die Schüttdichte US für verschiedene Bodenarten und Schüttgüter kann Tabelle 8-1 entnommen werden. Jedoch ist dabei zu beachten, dass Schwankungen auftreten infolge x x x
des Feuchtigkeits- bzw. Wassergehalts des Bodens, des Grads des Lösens aus der natürlichen Lagerung (z.B. bei bindigen Böden), abhängig von der Grösse des Grabgefässes, der Körnungslinie des Bodens, insbesondere bei bindigen Böden.
256
Tabelle 8-1: Schüttdichte US und Lösefaktor D für diverse Bodenarten nach [7]
257
Da das natürliche Gefüge des anstehenden Bodens beim mechanischen Lösen, Brechen, Sprengen, Bewegen und Laden aufgerissen und aus seiner gewachsenen Lagerung gelockert wird, wächst das Material volumenmässig an. Die tatsächliche Füllung von Hoch- und Tieflöffel, Lade- und Klappschaufel besteht daher aus mehr oder weniger losem Material. Da die Nutzleistung QN eines Erdbaugeräts jedoch immer in Relation zum fertigen Bauprodukt (Leistungsposition), z.B. zum Aufmass der ausgehobenen Baugruben oder Gräben bzw. des aufgeschütteten Damms, betrachtet wird, muss sie in Festkubikmeter pro Zeitstunde [fm3/h] angegeben werden. Den Zusammenhang zwischen den Volumen von gewachsenen und gelockerten Böden beschreibt der Lösefaktor D. Er berechnet sich als Quotient aus der Schüttdichte US des gelockerten oder losen Bodens nach dem mechanischen Lösen und der Rohdichte Ufest des gewachsenen Bodens in natürlicher Lagerung. In der Literatur wird der Lösefaktor auch als Auflockerung oder als Auflockerungsfaktor bezeichnet. D
US Ufest
[fm3/lm3]
Die Auflockerung von dicht bzw. kompakt gelagerten Böden ist grösser als die von locker gelagerten Böden. Aus diesem Grund besitzen kompakte Böden wie z.B. Fels nach dem Sprengen im Gegensatz zu den weniger dicht gelagerten kleinere Lösefaktoren. Die Bandbreite des Lösefaktors beläuft sich dabei von D = 1.0 für bereits lose vorkommende Schüttgüter wie z.B. Splitt bis hinunter zu D = 0.6 für aus seiner natürlichen Lagerung gesprengten Fels. Alle nicht wasserlöslichen, vollständig trockenen Schüttgüter, die zum Grossteil aus einer Korngrösse bestehen, lassen sich nicht wesentlich auflockern oder verdichten. Der Lösefaktor eines bestimmten Bodens stellt allerdings keine konstante Grösse dar, sondern verändert sich je nach Feuchtigkeitsgehalt, Ausgangsverdichtung und Bedienungsqualifikation des Baggerfahrers, welche grossen Einfluss auf die Intensität der Gefügestörung beim Bodenabtrag besitzt. Der Einsatz grosser Grabgefässe und ein zügiges, gleichmässiges Abtragen führen zu einer niedrigeren Auflockerung und damit zu einem höheren Lösefaktor als die Verwendung kleinerer Grabgefässe oder der ruckartige Ansatz des Tieflöffels. Daher werden in Tabelle 8-1 die Werte auch in einer Bandbreite angegeben.
258
Wird der abgetragene Boden auf der Baustelle an anderer Stelle wieder eingebaut, so muss bei unterschiedlichen Lagerungsdichten für Abtragsund Einbaustelle (z.B. bei der Aufschüttung mit grob gesprengtem Fels) in der Kalkulation bzw. der Arbeitsvorbereitung Folgendes beachtet werden: Soll das Mengenaufmass auf dem Bodeneinbau basieren, dann ist für die Leistungsberechnung neben dem Lösefaktor auch der geforderte Verdichtungsfaktor an der Einbaustelle massgebend. Anhaltswerte für Verdichtungsfaktoren Gv können Tabelle 3-7 entnommen werden. Lösefaktoren D für verschiedene Bodenarten/-klassen nach [7] befinden sich in Tabelle 8-1. Bei der Nutzleistungsermittlung für wiederverwendete Böden im Einbau gilt: Abbau z.B. durch Hydraulikbagger: QN, fest
VSAE u 3600 u k 1 u k 2 u k 3 u KG tS
[fm3/h]
Transport: QN,lose
QN, fest u
1 D
[lm3/h]
Einbau: Q'N, fest
QN,lose u G v
QN, fest u
Gv D
[fm3/h]
Beim Einsatz von Verdichtungsgeräten für den Bodeneinbau kann in vielen Fällen ein höherer Verdichtungsgrad gegenüber dem gewachsenen G Zustand erzielt werden, d.h. v < 1 [6]. D
259
Je nach Bodenstruktur und Feuchtigkeitsgehalt variiert aufgrund des sich ändernden inneren Reibungswinkels und/oder der Kohäsion der Neigungswinkel der über die Löffeloberkante hinausgehenden Aufhäufung und damit der effektive Inhalt des Grabgefässes. Da dieses Phänomen von der SAE-Norm abweicht, muss bei der Leistungsberechnung als Korrekturbeiwert der Füllfaktor M berücksichtigt werden. Der Füllfaktor M ist definiert als Quotient aus dem effektiven Inhalt und dem Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE-Norm: M =
effektiver Inhalt Nenninhalt nach SAE - Norm
[-]
A B C
Füllfaktor M = 1.2, effektiver Inhalt, z.B. bei feuchtem Ton Füllfaktor M = 1.0, Grabgefäss gefüllt nach SAE-Norm Füllfaktor M = 0.75, effektiver Inhalt, z.B. bei gesprengtem Fels
Bild 8-4: Füllfaktor für den Tieflöffel [7]
Bei bindigen Böden, z.B. feuchtem Ton, kann der Füllfaktor Mdeutlich über 1.0 betragen, wohingegen der effektive Inhalt des Grabgefässes bei geschichtetem oder gesprengtem Fels den SAE-Norminhalt deutlich unterschreitet (Bild 8-4). Neben der Bodencharakteristik beeinflussen auch die Eigenschaften des Grabgeräts und des Grabgefässes den Füllfaktor M. Ein hohes Eindringvermögen, eine hohe wirksame Ausbrechkraft sowie neue Grabzähne und Löffelschneiden führen zu einer besseren effektiven Füllung und damit zu einem höheren Füllfaktor M Bei neuen und daher langen Zähnen liegt das effektive Fassungsvermögen des Grabgefässes am 260
stärksten über dessen Fassungsvermögen nach SAE-Norm. Mit zunehmendem Zahn- und Schneidenverschleiss sinkt das effektive Fassungsvermögen ab [8]. Diese technischen Einflussfaktoren werden gesondert durch die Faktoren fi berücksichtigt. Die in den Tabellen angegebenen Füllfaktoren werden nur erreicht, wenn das Grabgefäss vor der Füllung leer gewesen ist. Deshalb ist besonders darauf zu achten, dass sich das Grab- und Ladegefäss bei jedem Arbeitsspiel auch vollständig entleert. In bindigen Böden oder in Sandböden mit stark bindigen Anteilen sowie bei der Arbeit mit schmalen Grabgefässen (z.B. Drainagelöffeln) ist die vollständige Entleerung nicht immer gewährleistet, da Bodenreste an den Grabgefässwänden haften bleiben und so das SAE-Nominalvolumen stetig verringern. Entleerungshilfen oder die regelmässige Reinigung des Grabgefässes durch Anschlagen des Löffels schaffen hier Abhilfe [8], allerdings verringert sich dann die Geräteausnutzung. Tabelle 8-2: Werte für den Füllfaktor M bei Tieflöffeln nach [6]
261
Tabelle 8-3: Werte für den Füllfaktor M bei Hochlöffeln und Klappschaufeln nach [6]
Tabelle 8-4: Füllfaktor M [-] für LKW im Strassenverkehr mit VFSAE,1 und LKW, Dumper und SKW im Baustellenverkehr mit VFSAE,2
Böden Strassenverkehr LKW Baustellenverkehr LKW, Dumper, SKW
Bindige Böden Rollige Böden Bindige Böden
262
Muldeninhalt VFSAE,1 VFSAE,2
Füllfaktor M 1.00 – 1.10 0.90 – 1.00 1.00 – 1.10
Bei der Ermittlung des SAE-Füllinhalts der Grab- und Ladegefässe sowie bei den angegebenen Füllfaktoren M wurde davon ausgegangen, dass die Arbeiten von bedienungstechnisch ausreichend qualifizierten Maschinenführern durchgeführt werden. Weicht die Qualifikation des Maschinenführers von der eines geübten Fahrers ab, so ist dies bei der Leistungsberechnung mit dem Bedienungsfaktor K1 zu berücksichtigen. Ungeübte Anfänger können die Nutzleistung gegenüber geübten Fahrern wesentlich unterschreiten. Die Skala der Qualifikationsunterschiede mit den Auswirkungen auf die Nutzleistung kann folgender Tabelle entnommen werden: Tabelle 8-5: Bedienungsfaktoren K1 [8]
K1 1.10 1.00 0.80 0.65
Bedienungsfaktor Vorführer geübter Fahrer (sehr gut) durchschnittlicher Fahrer ungeübter Anfänger
Die Beurteilung eines Maschinenführers hinsichtlich seiner Qualifikation und bedienungstechnischen Erfahrung ist schwierig. Der Beurteilende sollte selbst über eine ausreichende Erfahrung und gute bedienungstechnische Kenntnisse und Fertigkeiten verfügen. Neben den Gerätebewegungen können so zusätzlich die Steuermanipulationen des Maschinenführers in die Bewertung einfliessen bzw. korrigiert und erlernt werden. Werden Defizite bei Maschinenführern im Umgang mit Baumaschinen festgestellt, so sollten folgende alternative bzw. additive Massnahmen ergriffen werden: x Externe Schulungen durch Maschinenhersteller, besonders bei neuen Geräten. Sie stellen sicher, dass die Geräte richtig benutzt und instandgehalten werden. x Intern wechselnder Einsatz auf verschiedenen Erdbaustellen unter Anleitung eines erfahrenen Maschinenführers. Erst dadurch kann der Maschinenführer die Praxis und Routine erlangen, das Gerät unter den wechselnden Randbedingungen verschiedenster Baustellen optimal zu bedienen und die Leistung des Geräts voll auszuschöpfen. Neben den bedienungstechnischen Qualifikationen des Geräteführers hat die Motivation in Abhängigkeit von Betriebsklima, Leistungsanerken263
nung, Prämien etc. einen ganz entscheidenden Einfluss auf seine Leistung. Diese eher arbeitspsychologischen Einflüsse werden in dem Bedienungsfaktor mitberücksichtigt, wie bereits im Kapitel 1.1 „Leistungsbegriffe“ erläutert wurde.
264
Im Betriebsfaktor K2 werden die Bedingungen für den Einsatz der Geräte auf der Baustelle berücksichtigt. Die Betriebsbedingungen werden beeinflusst durch: x Optimale Abstimmung der Geräte in der Prozesskette x Wetter und Sichtverhältnisse x Zustand der Bewegungsoberfläche für die Lade- und Transportgeräte x Platzverhältnisse für die optimalen Bewegungsabläufe der Geräte Sehr gute Betriebsbedingungen zeichnen sich wie folgt aus: gute Arbeitsvorbereitung gute Abstimmung der Geräte aufeinander keine besonderen örtlichen Erschwernisse keine Abhängigkeit vom Wetter gute Instandhaltung der Geräte durch den Bauhof Tabelle 8-6: Betriebsfaktor K2
K2 1.00 0.95 0.85 0.70 – 0.80
Betriebsbedingungen sehr gut gut mittel schlecht
Der Betriebsfaktor beinhaltet auch Unterbrechungen, die infolge von Organisationsmängeln oder bei der Zusammenarbeit mehrerer Maschinen entstehen können, z.B. durch ungenügende Abstimmung von Baugeräten in einer Prozesskette. Die Betriebsbedingungen werden durch örtliche Erschwernisse, wie z.B. x schlechte Sichtverhältnisse x Hindernisse in der Arbeitsumgebung, z.B. Grabenverbau, beeinträchtigt. Zusätzlich kann das Wetter starken Einfluss auf die Betriebsbedingungen haben: x Im Erdbau ist der Einfluss des Wetters auf den Wassergehalt und die Konsistenz des Bodens für die Durchführung der Arbeiten von besonderer Bedeutung. Der Wassergehalt und die Konsistenz der Böden werden z.B. durch Regen verändert. Dies betrifft vor allem bindige und 265
tonige Böden. Pneu-Transportfahrzeuge können nicht befestigte Baustrassen so stark aufweichen und destabilisieren, dass sich schlechte Betriebsbedingungen einstellen. Bei stark bindigen und tonigen Böden sollte das Planum bei Einsetzen von Regen nicht mehr befahren werden, da sonst die natürliche Tragstruktur des Bodens zerstört wird. Das fertige Planum solcher Böden sollte immer mit Quergefälle versehen und abgewalzt/verdichtet werden. Dadurch kann Regen auf dem schnellstmöglichen Weg abgeleitet werden, ohne das Planum aufzuweichen. x Die Konsistenz des Bodens kann sich auch durch Frosteinwirkung verändern. Weiche bindige Böden erhalten eine temporäre Stabilisierung bzw. Verfestigung und sind dadurch ohne Zusatzmassnahmen befahrbar. Jedoch verschlechtert sich im Abbau die Lösbarkeit des Bodens für Grabgeräte, da der Boden durch die natürliche Froststabilisierung eine Verfestigung erfahren hat. Vorsicht ist beim Auftauen dieser Böden hinsichtlich der Befahrbarkeit und Destabilisierung geboten, da die Böden erst auf der Oberfläche auftauen und damit Wasser freisetzen, das nicht in den immer noch gefrorenen Boden abfliessen kann.
266
Für jedes Grabgefässvolumen existiert eine optimale Grabtiefe bzw. Abbauhöhe. Unter- oder überschreitet die vorhandene Abgrabungstiefe oder -höhe diesen optimalen Wert, so ist dies in der Leistungsberechnung durch den Abbau-/Grabtiefenfaktor f1 leistungsmindernd zu berücksichtigen [5]. Die optimale Wand- und Grabtiefe hängt im Wesentlichen von der Sitz-/Sichtposition des Maschinenführers und der Grösse und Kinematik des Geräts, die durch den Löffelinhalt charakterisiert sind, ab. Tabelle 8-7: Optimale Wandhöhen [72]
[m3]
Löffelinhalt Optimale Wandhöhe bei: Rolligem Material Schüttfähigem Material Stark bindigem Material
[m] [m] [m]
0.8
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
1.9 2.4 2.8
2.0 2.6 3.0
2.4 3.2 3.8
2.6 3.5 4.1
2.8 3.8 4.5
3.0 4.2 5.0
3.5 4.9 6.2
1.2
Einflussfaktor f1
1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Verhältnis tatsächlicher Wandhöhe zu optimaler Wandhöhe
Bild 8-5: Verhältnis tatsächlicher Wandhöhe zu optimaler Wandhöhe [72]
267
1.6
Der optimale Abbau-/Grabtiefenfaktor f1 verlangt ein weitgehend behinderungsfreies Arbeiten. Dann kann der Baggerfahrer bereits während des Rückschwenkens des Oberwagens ohne zusätzlichen Zeitaufwand den Baggerausleger auf das Niveau der Grabtiefe absenken. Befinden sich dagegen in unmittelbarer Nähe höhere Hindernisse, die zwingend zu überschwenken sind, so muss zumindest ein Teil des damit verbundenen vertikalen Zusatzwegs zur effektiven Grabtiefe addiert werden. Auch die Komplexität und die Platzverhältnisse innerhalb des Grabenverbaus sowie die Wirkungen unterschiedlicher Sichtverhältnisse haben Einfluss auf die Nutzleistung [8]. Die Abweichungen von den optimalen Betriebsbedingungen finden Berücksichtigung im Betriebsfaktor K2.
268
Der Schwenkwinkeleinfluss-/Fahrwegfaktor f2 berücksichtigt die Abweichung vom 90q-Schwenkwinkel vom Füllen bis zum Entleeren des Grabund Ladegefässes bzw. die Abweichung des tatsächlichen Rangierwegs vom optimalen Rangierweg beim Einsatz von Rad- und Kettenladern. Er charakterisiert die optimale Position im Grundriss zwischen Lade- und Transportgerät.
Bild 8-6: Optimale Schwenkbewegung beim Beladen des LKW [6]
Bild 8-7: Optimaler Rad-/Raupenlader – LKW-Betrieb [5]
269
1.4
Einflussfaktor f2
1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0
30
60 90 120 Schwenkwinkel [°]
150
180
Bild 8-8: Einflussfaktor f2 des Schwenkwinkels bzw. Fahrwegs [72]
Um eine grosse Nutzleistung zu erreichen, sollten Bagger stets mit einem möglichst kleinen Schwenkwinkel und Rad- und Kettenlader mit einem möglichst kleinen Rangierweg arbeiten. Optimal sind Schwenkwinkel zwischen 0° und 45°, die aber nicht auf jeder Baustelle realisierbar sind, bzw. Fahrwegwinkel d90°. Vorzugsweise sollte die Schwenkbewegung bei Baggern nach links erfolgen, da die Position der Fahrerkabine auf der linken Seite des Oberwagens es dem Baggerfahrer erlaubt, den gesamten Schwenkbereich im Voraus zu überblicken. Auf der rechten Seite des Oberwagens befinden sich der Ausleger sowie die Aufbauten, daher ist die Sicht über diese Seite stark eingeschränkt. Der Baggerfahrer kann deshalb nach rechts nur mit erhöhter Vorsicht und wesentlich langsamer schwenken. In der Arbeitsvorbereitung muss bei Erdarbeiten mit Bagger-LKW-Einsatz die Links-Schwenkseite berücksichtigt werden, um die optimale Leistung zu erzielen. Dies gilt auch für LKW-, SKW- und Dumperfahrer, denen die optimale Schwenkseite des Baggers bekannt sein muss, um die richtige Beladungsposition einnehmen zu können. Bereits in der Arbeitsvorbereitung sind Baustrassen und Bauabläufe sowie die damit einhergehenden Maschinenpositionen festgelegt, welche die optimale Schwenkrichtung sowie den Schwenkwinkel bzw. Fahrweg und Fahrwinkel bestimmen und damit die erzielbare Nutzleistung maxi270
mieren. Nachträgliche Änderungen an der Bauablaufplanung und der Baustelleneinrichtung sind in der Bauausführungsphase nur mit grossem Aufwand zu bewerkstelligen, da die hohe technologische Vernetzung der Prozesse untereinander häufig eine komplette und aufwendige Überarbeitung der Ablaufplanung erforderlich macht [8].
271
Der Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 berücksichtigt die Leistungsminderung, die durch das gezielte Entleeren des Grabgefässes z.B. in eine LKW-Mulde gegenüber dem ungezielten Entleeren auf eine räumlich nicht begrenzte Halde entsteht. Das ungezielte Entleeren wird als Bezugsgrösse mit dem Faktor f3 = 1.0 angesetzt. Untersuchungen und Messungen in der Baustellenpraxis haben gezeigt, dass der Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 für das zielgenaue Entleeren vom Volumenverhältnis von Transportgefäss und Grabgefäss abhängt. Da das Lösen, Ausheben, Verladen und Transportieren von Bodenmaterial normalerweise durch eine Produktionskette aus Ladegerät und Transportfahrzeugen erfolgt, kommt der Faktor f3 fast immer zur Anwendung. Je kleiner der Quotient aus geometrischem bzw. effektivem Fassungsvermögen von Fahrzeugmulde und Grabgefäss ist, desto exakter muss der Baggerfahrer arbeiten, um die ausgehobenen Bodenmassen auf der Mulde des Transportfahrzeugs ohne Verluste und lastausgeglichen zu verteilen. Die lastausgeglichene Beladung erfordert dann unter Umständen ein sehr sorgfältiges Verteilen des Materials über die gesamte Muldenfläche durch wiederholte Teilentleerungen. Besondere Sorgfalt ist bei der Auswahl und Abstimmung der richtigen Grösse des Transportfahrzeugs auf das Ladegerät geboten. Wird das Volumen des Transportgefässes im Vergleich zum Grab- bzw. Ladegefässvolumen zu klein gewählt, führt dies zu häufigen Fahrzeugwechseln, die wiederum zu Stillstandzeiten beim Ladegerät als Leitgerät der Produktionskette führen können. Für die Ermittlung des Entleerungsgenauigkeitsfaktors f3 ist zunächst die Bestimmung des folgenden Volumenverhältnisses erforderlich: Volumenver hältnis
Volumen des Transportg eräts Volumen der Löffelgrös se
272
VFSAE VSAE
Mit Hilfe von Bild 8-9 lässt sich nun der Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 in Abhängigkeit vom Volumenverhältnis ablesen:
1.1
Einflussfaktor f3
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Volumenverhältnis
Bild 8-9: Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 [72]
273
9
10
11
12 ff 13
Der Zustand der Löffelschneiden bzw. der Grabzähne beeinflusst die Leistungsfähigkeit von Löse- und Ladegeräten. Abgenutzte Bagger- bzw. Laderzähne können die Leistung eines Ladegeräts je nach Bodenart um bis zu 20 % senken. Im Allgemeinen können folgende Werte angenommen werden: Tabelle 8-8: Schneiden-/Zahnzustandsfaktor f4 [-] nach [8]
f4 [-]
Schneiden-/Zahnzustandsfaktor
Neuzustand mittlerer Verschleiss hoher Verschleiss
1.00 0.90 0.80
274
Die Verfügbarkeit von Baumaschinen ist abhängig von der präventiven Wartung und Instandhaltung der Maschine. Mit wachsender Anzahl der Betriebsstunden und zunehmendem Alter von Baugeräten steigen die Instandsetzungserfordernisse. In den Wartungszeiten infolge Verschleisses oder den Reparaturzeiten aufgrund von Maschinendefekten stehen die Baumaschinen für den Baustelleneinsatz nicht zur Verfügung. Bei neuen Baumaschinen bzw. sehr kurzen Einsatzzeiten spielt der Instandhaltungszustand nur eine untergeordnete Rolle. Bei diesen Einsätzen kann die Leistungsberechnung ohne Minderung durch plötzliche Maschinenausfälle mit dem Faktor f5 = 1.0 vorgenommen werden. Bei allen anderen Leistungsberechnungen, vor allem bei Langzeiteinsätzen, kann entweder auf eigene Erfahrungswerte, z.B. aus der Maschinenkartei des eigenen Unternehmens, in der für jede Maschine jeweils Ursache und Umfang der Ausfallszeiten festgehalten sind, oder auf die Werte aus Tabelle 8-9 für den Gerätezustandsfaktor f5 in Abhängigkeit von den bisher geleisteten Betriebsstunden zurückgegriffen werden: Tabelle 8-9: Gerätezustandsfaktor f5 [-] [8]
Gerätezustandsfaktor – 1000 Betriebsstunden 1000 – 1500 Betriebsstunden 1500 – 2000 Betriebsstunden 2000 – 3500 Betriebsstunden 3500 – 5000 Betriebsstunden
f5 [-] 1.00 0.93 0.85 0.75 0.65
Muss innerhalb einer Produktionskette eine bekanntermassen technisch sehr anfällige bzw. alte Maschine als Leitgerät eingesetzt werden und entsteht damit im Falle eines Ausfalls eine Gefährdung des planmässigen Baufortschritts, so sollte zur Kompensation immer eine „Springermaschine“ als Ersatz zur Verfügung stehen oder bekannt sein, wo schnellstens ein Ersatzgerät gemietet werden kann. Besser ist in jeder Hinsicht der Einsatz von sorgfältig gewarteten und technisch zuverlässigen Baumaschinen. Aber auch hier sollte vor Arbeitsbeginn festgelegt sein, woher bei einem Maschinenausfall schnellstmöglich ein Ersatzgerät bezogen und die Reparartur durchgeführt werden kann [8]. Um ein Maximum der Maschinenausnutzung während der planmässigen Betriebsstunden zu gewähren, soll eine festgelegte Wartungs- und Reparaturzeit ausserhalb der Einsatzzeit unbedingt vorgesehen sein.
275
Der Geräteausnutzungsgrad wird durch technische Bedingungen sowie durch die physische und psychische Gesamtbelastung und die Belastungsfähigkeit des Geräteführers bestimmt. Daher kann man im Allgemeinen davon ausgehen, dass die Geräte nicht 60 Minuten pro Stunde im Einsatz sind. Beim Bagger ist es z.B. aufgrund technischer Bedingungen erforderlich, das Gerät nach Erreichen des maximalen/optimalen kinematischen Bewegungsbereichs seines Arms bzw. Arbeitsbereichs umzusetzen. Je komplizierter die Bedienvorgänge bzw. die Umweltbedingungen sind, umso konzentrierter muss der Geräteführer arbeiten. Arbeiten bei engen Grabenverhältnissen und naher Bebauung bzw. Verkehrswegen erfordern höhere Konzentration und vorsichtigere Bewegungungsabläufe als das Ausheben einer Baugrube im offenen Gelände. Diese technischen Bedingungen sowie die hauptsächlich psychische Belastung des Maschinenführers reduzieren die rechnerische Leistung durch z.B. Nebenarbeiten oder Kurzpausen. Auch das Umsetzen der Geräte im Arbeitsbereich während des Arbeitsfortschritts findet durch diesen Faktor (z.B. beim Grabenaushub) Berücksichtigung. Folgende Reduktionsfaktoren werden bei Lade- und Aushubgeräten angesetzt: Tabelle 8-10: Geräteausnutzungsgrad KG [-] [5]
Geräteausnutzungsgrad
KG [-]
offene Baugrube und Entleeren auf Fahrzeug Grabenaushub und Entleeren auf Fahrzeug Aushub im öffentlichen Verkehrsraum
0.75 – 0.80 0.60 – 0.75 0.50 – 0.65
Unter günstigen Bedingungen kann man mit einem Geräteausnutzungsgrad von 50 Minuten pro Stunde rechnen.
276
Kurven-/Krümmungswiderstandsbeiwert [‰] für den einzelnen schienengebundenen Wagen [73] (massgebend hierfür ist die stärkste Krümmung der Förderstrecke!): 600 mm Schmalspur: wk
370 u a 167 u a 2 75 1.7 K
[‰]
900 mm Schmalspur: wk wk a K
260 u a 30 u a 2 112.5 1 .4 K
[‰]
Kurven-/Krümmungswiderstandsbeiwert Achsstand Krümmungsradius
[‰] [m] [m]
Tabelle 8-11: Richtwerte für wk [‰] [14]:
Kurvenwiderstandsbeiwert
wk [‰]
Normalspur Schmalspur
1– 6 3 – 10
277
Rollwiderstand der inneren Lager bei Schmalspurwagen [73]:
Formeln nach Engel für den einzelnen Wagen bei v # 12 km/h bei Gleitlager: w r( W )
16.3 3.1 0.056 u v 2 VFSAE 0.31
[‰]
bei Wälzlager: w r(W) = VFSAE v
5.5 + 1.85 + 0.058 u v 2 VFSAE - 0.1
[‰]
Muldeninhalt Geschwindigkeit
[m3] [km/h]
Für den einzelnen Wagen beim Gleisbetrieb: Tabelle 8-12: Rollwiderstandsbeiwerte der Räder für einzelne Wagen beim Gleisbetrieb [14]
Rollwiderstandsbeiwert
Schmalspur Schmalspur Normalspur
wr(W) [‰]
600 mm 900 mm 1435 mm
278
8 – 10 6– 8 5– 6
Schwerkraftlastwagen: Tabelle 8-13: Rollwiderstandsbeiwerte wr [‰] für Schwerkraftlastwagen [72]
wr [‰] 15
Beton, Asphalt Erdstrassen
glatt, hart, trocken (Kies mit Lehm) trocken, nicht verdichtet, lockeres Material weicher, zerfurchter Boden, schlecht instandzusetzen feuchte, schlammige Oberfläche auf festem Grund weicher, zerfurchter Boden unverdichtete Kippe trockener Sand oder Kies tief zerfurchter, schlammiger Untergrund
20 30 40
60 80 100 160
verdichtet 10 cm locker
300 500
40
Schnee
279
9 Literaturverzeichnis
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[65] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 459 – Betonmischer, Begriffe, Leistungsermittlung, Grössen. Beuth Verlag, Berlin, 1993. [66] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 1045 – Beton und Stahlbeton – Bemessung und Ausführung. Beuth Verlag, Berlin, 2001. [67] N.N.: Technische Unterlagen. Hrsg.: Fa. Putzmeister, Aichtal, o.J. [68] N.N.: Arbeitszeit-Richtwerte-Tabelle Hochbau. Hrsg.: Zentralverband des Deutschen Baugewerbes, Zeittechnik-Verlag, Neu-Isenburg, 2002. [69] Society of Automotive Engineers, Inc. – SAE Standards: - SAE J 67: Shovel Dipper, Claim Bucket and Dragline Bucket Rating (1984). - SAE J 296: Excavator Hoe Bucket Rating (1984). - SAE J 742: Capacity Rating – Loader Bucket (1985). - SAE J 1265: Capacity Rating – Dozer (1988). - SAE J 1363: Capacity Rating – Dumper Body and Trailer Body (1985). In: SAE Handbook 1990, Vol. 4: On-Highway Vehicles and Off-Highway Machinery, Customer Service SAE, Warrendale, PA, USA. [70] Committee for European Construction Equipment CECE: Europäische Richtlinien: - Teil VI-1, für Hydraulikbagger und ihre Einrichtungen (1973). - Teil VI-2, für voll drehende Seilbagger und ihre Einrichtungen (1973). - Teil VII, für Dumper (Autoschütter und Muldenkipper) und ihre Anbaugeräte (1969). - Teil VIII, für Radlader und ihre Anbaugeräte (1972). Fachgemeinschaft Bau- und Baustoffmaschinen im Verband Deutscher Maschinenbauanstalten VDMA e.V., Frankfurt/Main. [71] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: - DIN 5485: Benennungsgrundsätze für physikalische Grössen – Wortzusammensetzungen mit Eigenschafts- und Grundwörtern (1986). - DIN ISO 6483: Erdbaumaschinen – Muldenfahrzeuge – Nenninhalt (1988). - DIN ISO 6484: Erdbaumaschinen – Elevator-Scraper – Nenninhalt (1986). - DIN ISO 6485: Erdbaumaschinen – Scraper – Nenninhalt (1980). - DIN ISO 7451: Erdbaumaschinen – Hydraulikbagger - Nenninhalt von Tieflöffeln (1997). - DIN ISO 7546: Erdbaumaschinen – Lader und Bagger - Nenninhalt von Ladeschaufeln (1985). - DIN ISO 9245: Erdbaumaschinen – Leistung der Maschinen - Begriffe, Formelzeichen und Einheiten (1995). - DIN ISO 9246: Erdbaumaschinen – Schlepper auf Raupenketten oder Rädern – Plamierschild – Nenninhalt (1988). Beuth Verlag, Berlin. [72] Kühn, G.: Der maschinelle Erdbau. Teubner Verlag, Stuttgart, 1984. [73] Engel, J.: Der Fahrwiderstand des Rollmaterials im Baubetrieb. Diss., TU Berlin, 1931. [74] Schexnayder, C. J.; Ledbetter, W. B.; Peurifoy, R. L.: Construction Planning, Equipment and Methods. McGraw-Hill Companies, New York (USA), 1996. [75] Halpin, D. W.; Riggs, L. S.: Planning and Analysis of Construction Operations. J. Wiley & Sons, New York (USA), 1992. [76] Drees, G.; Spranz, D.: Handbuch der Arbeitsvorbereitung in Bauunternehmen. Bauverlag, Wiesbaden, 1976.
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10 Abbildungsverzeichnis
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_10, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
Bild 1-1: Bild 1-2: Bild 1-3:
Zeitbegriffe für Baugeräteeinsatz und -bewertung ................................... 4 Darstellung der Schutterleistung in Abschlagszyklen ............................ 14 Leistungsverlauf ..................................................................................... 15
Bild 2-1: Bild 2-2: Bild 2-3: Bild 2-4: Bild 2-5: Bild 2-6: Bild 2-7:
Schematische Darstellung der Leistung von Motoren ............................ 30 Schematische Darstellung der Gesamtleistung ..................................... 31 Elektroinstallationsschema einer Baustelle ........................................... 40 Druckverlauf eines Druckluftsystems ..................................................... 42 Gleichzeitigkeitsfaktor f3 [-] für Kompressoren ....................................... 45 Bemessungsdiagramm für Druckleitungen ............................................ 47 Darstellung einer Sieblinie j zur Erklärung der verwendeten Begriffe ................................................................................................ 49 Beispiel einer Tunnelröhre in verschiedenen Böden .............................. 50 Sieblinien der anfallenden Böden mit Bestimmung der Gewichtsprozente ............................................................................... 51 Schematische Darstellung einer vierstufigen Separationsanlage .......... 53
Bild 2-8: Bild 2-9: Bild 2-10: Bild 3-1: Bild 3-2: Bild 3-3: Bild 3-4: Bild 3-5: Bild 3-6: Bild 3-7: Bild 3-8: Bild 3-9: Bild 3-10: Bild 3-11: Bild 3-12: Bild 4-1: Bild 4-2: Bild 4-3: Bild 4-4: Bild 4-5: Bild 4-6: Bild 4-7: Bild 4-8:
Spielzeit tS eines Hydraulikbaggers Liebherr R 942 Litronic mit Tieflöffel unter optimalen technischen Bedingungen ........................... 57 Optimaler Einsatz Bagger – LKW .......................................................... 58 Ideale Tieflöffeleinsätze ......................................................................... 59 Spielzeit tS [s] von Baggern mit Tieflöffel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 ....................................... 60 Spielzeit tS [s] von Baggern mit Hochlöffel/Klappschaufel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 ............... 61 ~ Schubleistung Q 0 (w) [lm3/h] von Planierraupen ................................... 71 Steigungsfaktor f3(E) .............................................................................. 72 ~ Leistungsdiagramm Q 0 (w; v; P; VP100) [lm3/h] für Schubraupen im Entfernungsbereich bis 50 m .......................................................... 73 Klassifizierung der Reissbarkeit des Gesteins nach seismischer Geschwindigkeit .................................................................................. 75 Grundreissleistung Q0 [fm3/h] einer Raupe mit 240 kW Leistung ........... 76 Fahrstrecke ............................................................................................ 78 Förderleistungsdiagramm für Scraper, Rad- und Raupenplaniergeräte .................................................................................................. 81 Idealfall einer Transportkette – Kreisverkehr ....................................... 100 Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange – Kreisverkehr .............................................................................................. 100 Idealfall einer Transportkette – Rückstossverkehr ............................... 101 Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange – Rückstossverkehr ...................................................................................... 101 Leistung beim Ladegerät – LKW-System............................................. 105 Korrekturfaktor fE – Einfluss des Steigungswinkels auf den Fördergutstrom.................................................................................. 124 Nomogramm zur Bestimmung des Widerstandsbeiwerts Oj ................. 131 Kreiskrümmer ...................................................................................... 132
288
Bild 4-9: Bild 4-10: Bild 4-11: Bild 4-12: Bild 4-13: Bild 4-14: Bild 4-15: Bild 4-16: Bild 4-17: Bild 4-18: Bild 4-19: Bild 4-20: Bild 4-21: Bild 4-22: Bild 4-23: Bild 5-1: Bild 5-2: Bild 5-3: Bild 5-4: Bild 5-5: Bild 5-6: Bild 5-7: Bild 5-8: Bild 5-9: Bild 5-10: Bild 5-11: Bild 5-12: Bild 5-13: Bild 5-14: Bild 5-15: Bild 5-16: Bild 5-17: Bild 5-18: Bild 5-19:
Kreisrohr-Kniestück ............................................................................. 133 Querschnittsänderung.......................................................................... 134 Prinzipdrucklinie Fall 1 – Pumpe mit Saugleitung ................................ 135 Prinzipdrucklinie Fall 2 – Pumpe mit Zulaufdruck ................................ 136 Dichteverlauf der Bentonitsuspension bei verschiedenen BentonitWasser-Konzentrationen ................................................................... 140 Abhängigkeit der Froud’schen Zahl Frkrit vom mittleren Korndurchmesser dm und der Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration ȝFS des zu transportierenden Korngemischs .............. 143 Materialfluss bei Hydroschildvortrieb ................................................... 144 H-Q-Diagramm für Pumpen- und Rohrkennlinien ................................ 146 Schematische Darstellung eines Rechenbeispiels .............................. 152 Schematische Darstellung der Drucklinie ............................................ 153 Fall 1 und 2 – Rohr- und Pumpenkennlinie sowie möglicher Betriebsbereich (Pumpe Warman GG 12148)................................... 165 Schematische Darstellung eines TVM-Tunnelvortriebs mit Förderschnecke zur Materialabfuhr................................................... 166 Geometrie einer Förderschnecke ........................................................ 167 Steigungen der Schneckenganghöhe und der Schneckenachse ........ 168 Betrachtung eines Ausschnitts der Förderschnecke bezüglich der wirkenden Kräfte ............................................................................... 170 Einfluss des Winkels E [°] zwischen der Tunnelachse und den Kluftflächen auf den Kluftfaktor kS [-] ................................................. 176 Bohrbarkeit DRI [-] ............................................................................... 177 Kräfte beim Einsatz einer Tunnelbohrmaschine .................................. 178 Diagramm zur Bestimmung der maximalen Penetration ib................... 179 Einflussfaktor der Meisselgrösse ......................................................... 180 Maximale Bohrkopfumdrehungen m für die Diskenabrollgeschwindigkeit von v = 110 m/min ............................... 180 Diagramm zur überschlägigen Ermittlung der mittleren Grundabbauleistung Q0 von TSM ...................................................... 180 Zähigkeitsfaktor kC [-] – Einfluss des Spannungsverhältnisses Vd/Vz .................................................................................................. 183 Schichtabstandsfaktor kP [-] ................................................................. 183 Meisselverbrauch ................................................................................. 184 Optimierung Schrämleistung (Schneidkopfantrieb) und Maschinengewicht ............................................................................. 185 Faktor kS [-] – Einfluss der Anisotropie bei geschieferten Gebirgen ..... 187 Zeitlicher Ablauf eines parallel verlaufenden Sprengvortriebszyklus ................................................................................................ 191 Parallel verlaufender Vortrieb .............................................................. 191 schematischer Druckverlauf bei der Anordnung mehrerer Luttenabschnitte mit Ventilator zwischen den Abschnitten ................ 194 Dimensionierung des Ventilators ......................................................... 197 Berechnungsdiagramm für Lutten der Güteklasse S ........................... 198 Berechnungsdiagramm für Lutten der Güteklasse A ........................... 199 Berechnungsdiagramm für Lutten der Güteklasse B ........................... 200
289
Bild 6-1: Bild 6-2: Bild 6-3: Bild 6-4: Bild 6-5: Bild 6-6: Bild 6-7: Bild 6-8: Bild 6-9: Bild 7-1:
Ermittlung des erforderlichen manometrischen Pumpendrucks ........... 204 Erstellung einer Säule .......................................................................... 209 Schematische Darstellung der ideellen/statischen Eindringung des Pfahls ......................................................................................... 214 Kraft–Zeit–Diagramm für Dieselbären (Explosionsrammen) ................ 219 Vibrationsramme und wirkende Kräfte ................................................. 222 Diagramm zur Bestimmung der erforderlichen Fliehkraft FVZ,erf ........... 227 Herkömmliche Vibrationsrammen ........................................................ 228 Vibrationsrammen mit variabler Fliehkraft............................................ 228 Variable Fliehkraft – Prinzip der Unwuchtstellung ................................ 229
Bild 7-4:
Beispiel für eine Grundspielzeit tS des Turmdrehkranes 140 EC-H6 von Liebherr ................................................................... 233 Grundförderleistung Q0 [m3/h] .............................................................. 239 Einteilung der Arbeitsgänge und Tätigkeiten von Stahlbetonarbeiten ............................................................................ 240 Systematische Untergliederung von Armierungsarten ......................... 243
Bild 8-1: Bild 8-2: Bild 8-3: Bild 8-4: Bild 8-5: Bild 8-6: Bild 8-7: Bild 8-8: Bild 8-9:
Muldeninhalt eines Fahrzeugs gemäss SAE-Norm ............................. 250 Geometrie eines Tieflöffels gemäss SAE-Norm................................... 252 Geometrie einer Ladeschaufel ............................................................. 253 Füllfaktor für den Tieflöffel ................................................................... 258 Verhältnis tatsächlicher Wandhöhe zu optimaler Wandhöhe ............... 265 Optimale Schwenkbewegung beim Beladen des LKW ........................ 267 Optimaler Rad-/Raupenlader – LKW-Betrieb ....................................... 267 Einflussfaktor f2 des Schwenkwinkels bzw. Fahrwegs ......................... 268 Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 ......................................................... 271
Bild 7-2: Bild 7-3:
290
11 Tabellenverzeichnis
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_11, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
Tabelle 1-1: Tabelle 1-2:
Werte für Bedienungsfaktoren K1 [-] ................................................... 5 Leistungseinflussfaktoren ................................................................... 7
Tabelle 2-1: Tabelle 2-2: Tabelle 2-3:
Richtwerte der Sozialeinrichtungen .................................................. 20 Wasserbedarf ................................................................................... 24 Formeln zur Berechnung des erforderlichen Leitungsquerschnitts A [mm2] ........................................................ 32 Zulässige Dauerbelastung und Zuordnung von ÜberstromSchutzorganen für isolierte Leitungen ........................................... 34 Motorleistung von Baumaschinen .................................................... 35 Anschlusswerte diverser Elektrogeräte ............................................ 36 Anschlusswerte verschiedener Beleuchtungskörper ........................ 36 Motorleistung diverser Baumaschinen.............................................. 37 Anschlusswerte diverser Elektrogeräte ............................................ 37 Berechnungsbeispiel der eingesetzten Beleuchtungen .................... 38 Abweichungsfaktor f1 [-] .................................................................... 44 Verlustfaktor f2 [-] .............................................................................. 44 Verlustfaktor f4 [-] – Undichtigkeiten ................................................. 45 Druckluftbedarf Qm,V ......................................................................... 45 Äquivalente Rohrleitungslängen Li [m] ............................................. 46 Einteilung möglicher Separationsintervalle ....................................... 52
Tabelle 2-4: Tabelle 2-5: Tabelle 2-6: Tabelle 2-7: Tabelle 2-8: Tabelle 2-9: Tabelle 2-10: Tabelle 2-11: Tabelle 2-12: Tabelle 2-13: Tabelle 2-14: Tabelle 2-15: Tabelle 2-16:
Änderung der Spielzeit 't [s] eines Radladers ................................. 64 Ladezeit tL [s] .................................................................................... 66 Änderung der Spielzeit 't [s] eines Kettenlader ............................... 67 Faktoren im Erdbau .......................................................................... 72 Diverse Betriebsbeiwerte .................................................................. 80 Leistung eines Caterpillar Graders 140H mit 138 kW Leistung ......................................................................................... 82 Tabelle 3-7: Anhaltswerte für den Verdichtungsfaktor Gv ...................................... 84 Tabelle 3-8: Einsatzmöglichkeit von Verdichtungsgeräten ................................... 85 Tabelle 3-9: Eignung von Verdichtungsmitteln in grobkörnigem, nicht bindigem Lockergestein ................................................................. 87 Tabelle 3-10: Eignung von Verdichtungsmittel in feinkörnigem, bindigem Lockergestein ................................................................................ 88 Tabelle 3-11: Eignung von Verdichtungsmitteln in gemischtkörnigem, bindigem Lockergestein ................................................................. 89 Tabelle 3-12: Eignung von Verdichtungsmitteln in nicht bindigem Fels.................. 90 Tabelle 3-1: Tabelle 3-2: Tabelle 3-3: Tabelle 3-4: Tabelle 3-5: Tabelle 3-6:
Tabelle 4-1: Tabelle 4-2: Tabelle 4-3: Tabelle 4-4: Tabelle 4-5: Tabelle 4-6: Tabelle 4-7: Tabelle 4-8:
Durchschnittsgeschwindigkeiten vi [km/h] für LKW auf verschiedenen Untergründen.............................................................. 95 Geschwindigkeitskorrekturfaktor kG .................................................. 96 Bodenkraftschlussbeiwert P............................................................ 110 Geschwindigkeitsbeiwert N1 [-]........................................................ 111 Rollwiderstandsbeiwert wr [-] .......................................................... 111 Auswahlkriterien der Spurweite ...................................................... 112 Daten verschiedener Profile ........................................................... 122 Bandsteigungsbereich M [°] ............................................................ 123
292
Tabelle 4-9: Tabelle 4-10: Tabelle 4-11: Tabelle 4-12: Tabelle 4-13: Tabelle 4-14: Tabelle 4-15: Tabelle 4-16: Tabelle 4-17: Tabelle 4-18: Tabelle 4-19: Tabelle 4-20: Tabelle 4-21: Tabelle 4-22: Tabelle 4-23: Tabelle 4-24: Tabelle 4-25: Tabelle 4-26: Tabelle 4-27: Tabelle 4-28: Tabelle 4-29: Tabelle 5-1: Tabelle 5-2: Tabelle 5-3: Tabelle 5-4: Tabelle 6-1: Tabelle 6-2: Tabelle 6-3: Tabelle 6-4: Tabelle 7-1: Tabelle 7-2: Tabelle 7-3: Tabelle 7-4:
Optimale Bandbreite b zur maximalen Korngrösse ........................ 124 Gurtgeschwindigkeit v .................................................................... 124 Theoretischer Füllquerschnitt AF des Förderbandes ...................... 125 Kinematische Viskosität Q [m2/s] von Wasser ................................. 130 Rauhigkeitswerte k [mm] für Rohre ................................................ 130 Verlustbeiwerte ]E [-] für Einlauf aus offenem Becken in ein Rohr ....................................................................................... 132 Verlustbeiwerte ҏ]KK [-] für Kreiskrümmer ........................................ 133 Verlustbeiwerte ҏ]K [-] für Kreisrohr-Kniestücke ............................... 133 Formbeiwerte für Querschnittsänderungen .................................... 134 Dampfdruck von Wasser HD [m] ..................................................... 142 Wirkungsgrade ............................................................................... 148 Zulässige Saughöhen hS,zul bei Aussenatmosphärendruck (HB) von 10 m Wassersäule ......................................................... 150 Fall 1 – Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen .................... 158 Fall 2 – Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen .................... 162 Kritische Fördermengen für verschiedene FlüssigkeitsFeststoff-Gemische ...................................................................... 163 Matrix der Abhängigkeiten der Abbauleistung (Q0) bzw. Nettovortriebsleistung (I) von der Fördermenge und der Rohdichte des Feststoff-Flüssigkeits-Gemischs .......................... 164 Grundwerte des Füllungsgrads M0 .................................................. 169 Steigungsfaktor fį der Schneckenganghöhe .................................. 169 Staufaktor fSt ................................................................................... 169 Betriebsbedingungen Ș2 ................................................................. 169 Verschiebewiderstandsbeiwert Ȝ in Abhängigkeit von den Materialien ................................................................................... 171 Faktor kM [-] zur Berücksichtigung der Wahl des Bohrkopfdurchmessers bei gleicher Hammerleistung .................. 187 Faktor kBS [-] zur Berücksichtigung der Art der Bohrstifte ............... 188 Praxiswerte für die Penetrationsrate ib [m/min] in Abhängigkeit von der Gesteinsart und einaxialen Druckfestigkeit ............................................................................. 188 Trendbeziehung Bohrbarkeit – Bohrgeschwindigkeit – Bohrkronenverbrauch .......................................................................... 188 Grundbruch-/Pfahlspitzenwiderstand qS [kN/cm2] und Mantelreibung WM [kN/m2] ............................................................. 218 Widerstandsbeiwert PDyn [-] des Bodens ......................................... 218 Stossziffer k [-] ................................................................................ 218 Eigenfrequenzen ausgesuchter Bodenarten .................................. 228 Anhaltswerte zur Ermittlung der Grundspielzeit tS [s] ..................... 233 Richtwerte zur Abschätzung: Anzahl Arbeitskräfte/Kran ................ 234 Richtwerte zur Abschätzung der Kranförderung im Hochbau ...................................................................................... 234 Kranaufwandswerte ........................................................................ 234
293
Tabelle 7-5: Tabelle 7-6:
Auflockerungsfaktor GAi [-] ............................................................... 236 Grenzwerte von Betonpumpen ....................................................... 238
Tabelle 8-1: Tabelle 8-2: Tabelle 8-3:
Schüttdichte US und Lösefaktor Dҏ für diverse Bodenarten .............. 257 Werte für den Füllfaktor M bei Tieflöffeln......................................... 261 Werte für den Füllfaktor M bei Hochlöffeln und Klappschaufeln ............................................................................ 262 Füllfaktor M [-] für LKW im Strassenverkehr mit VFSAE,1 und LKW, Dumper und SKW im Baustellenverkehr mit VFSAE,2 .......... 262 Bedienungsfaktoren K1 ................................................................... 263 Betriebsfaktoren K2 ......................................................................... 265 Optimale Wandhöhen ..................................................................... 267 Schneiden-/Zahnzustandsfaktor f4 [-] ............................................. 274 Gerätezustandsfaktor f5 [-] .............................................................. 275 Geräteausnutzungsgrad KG [-] ........................................................ 276 Richtwerte für wk [‰] ...................................................................... 277 Rollwiderstandsbeiwerte wr(W) [‰] der Räder für einzelne Wagen beim Gleisbetrieb............................................................. 278 Rollwiderstandsbeiwerte wr [‰] für Schwerkraftlastwagen............. 279
Tabelle 8-4: Tabelle 8-5: Tabelle 8-6: Tabelle 8-7: Tabelle 8-8: Tabelle 8-9: Tabelle 8-10: Tabelle 8-11: Tabelle 8-12: Tabelle 8-13:
294
12 Stichwortverzeichnis
G. Girmscheid, Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse, DOI 10.1007/978-3-642-13795-2_12, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010
............. 220, 232, 235, 237, 263, ..................................... 264, 266 Betriebsbeiwert ............... 5, 12, 56, ........... 62, 65, 68, 69, 74, 77, 79, ........... 80, 83, 92, 168, 175, 181, ............. 186, 211, 220, 232, 235, ............................................ 238 Betriebsfaktor .................. 167, 247, ..............................248, 263, 266 Betriebszeit ..................3, 4, 6, 7, 8, ............. 9, 11, 12, 15, 16, 17, 18 Bohrbarkeit ................177, 186, 188 Bohren ......................188, 189, 190 Bohrjumbo ........................ 190, 273 Bohrkopfdurchmesser .............. 187 Bohrmaschinen ................ 173, 186 Bohrzeit .................................... 189
A Abbauhöhe ......... 6, 56, 57, 58, 265 Abbauvolumen.................. 145, 168 Abnutzungsgrad ........................... 6 Absetzgenauigkeit .................... 232 Anisotropie........................ 186, 187 Anker .................... 14, 17, 190, 245 Ankerbohrgerät ......................... 190 Anlaufzeit ...................................... 8 Ansaugleistung ......... 40, 43, 44, 45 Antriebsleistung ....... 105, 126, 127, ............................. 171, 172, 182 Anzugskraft............... 106, 109, 117 Äquivalente Rohrleitungslängen ................. 46 Arbeitsdruck................................ 44 Arbeitstage ........................... 15, 16 Arbeitszeit ......... 3, 8, 12, 16, 17, 22 Aufgabemenge ........................... 48 Aufwandswerte ............. 8, 240, 245 Aushub ....... 2, 14, 17, 95, 103, 274
D Dampfdruck .............................. 142 Deckentisch ..................... 242, 248 Dichte ........... 48, 127, 139,140,144, ............. 145, 147, 151, 155, 157, .............. 160, 167, 202, 210, 254 Drehmoment ............................ 171 Drehzahlregelung ............. 149, 158 Dreiphasenwechselstrom ..... 27, 33 Druckhöhe ........................ 128, 138 Druckluftbedarf ............... 40, 42, 45 Druckluftversorgung ............. 19, 41 Druckverlust ......194, 202, 205, 206 Dumper .................91, 92, 249, 260 Durchflussmenge ............ 136, 207, ............................. 208, 209, 210 Dynamische Masse .................. 223
B Bahnwiderstand ........................ 106 Bandförderung .................... 91, 123 Baugerätekosten .......................... 3 Bauzeit ..................................... 2, 9 Bedienungsfaktor............. 5, 12, 56, ........... 62, 65, 69, 72, 74, 77, 80, ................. 83, 92, 168, 175, 181, ............. 186, 211, 220, 232, 235, .............. 238, 247, 248, 261, 262 Beladezeit ........... 78, 93, 94, 97, 98 Beladungsverhältnis ............. 48, 52 Bentonit ................... 129, 139, 140, ...................... 145, 152, 154, 155 Bentonitkonzentration ............... 152 Beschleunigung ............... 107, 117, .............................. 221, 223, 224 Betonanlagen .............. 10, 23, 231, .............................. 235, 237, 238 Betonarbeiten ................... 247, 248 Betonbau ............................ 10, 234 Betonmischer................ 10, 23, 235 Betonpumpen ............. 10, 237, 238 Betriebsbedingungen ........... 5, 6, 7, ........... 11, 12, 56, 62, 65, 69, 72, ............... 74, 77, 80, 83, 92, 169, ............. 175, 181, 186, 196, 211,
E Effektivzeit .................................... 7 Eigenfrequenz .......................... 228 Einarbeitungszeit............ 15, 17, 18 Eindringtiefe76, 176, 211, 212, 214, 215 Einphasenwechselstrom ...... 27, 33 Einsatzleistung ............... 13, 15, 16 Einsatzzeit ..................... 3, 6, 9, 13, .....................15, 16, 17, 18, 184, ..............................217, 220, 273 Entleerungsgenauigkeitsfaktor ................... 6, 12, 56, 62, 65, 92, ......................247, 248, 270, 271
296
Gesamtwiderstand ................... 108 Geschwindigkeit .................. 75, 76, ........... 83, 86, 96, 105, 106, 109, ............. 110, 121, 122, 134, 143, .............. 159, 202, 205, 206, 276 Geschwindigkeitshöhe ............ 128, ..................................... 138, 141 Geschwindigkeitskorrekturfaktor .... ............................................... 96 Gleisförderung ................... 91, 112 Grabentiefe ...............6, 56, 58, 266 Grabtiefenfaktor ............ 6, 12, 247, ............................. 248, 265, 266 Grader ............................ 55, 68, 82 Grossflächenschalung.............. 248 Grundabbauleistung ................ 139, ............. 144, 145, 166, 167, 174, ..............................175, 181, 182 Grundleistung .................... 4, 6, 11, .........................12, 14, 146, 147, ..............................151, 159, 161 Grundrammleistung................. 211, .............. 214, 215, 216, 219, 220 Grundspielzeit .............63, 232, 233 Güteklasse ................197, 198, 199
Erdbau ................ 2, 10, 70, 98, 263 Erdbaugeräte .............................. 55
F Fahrwegfaktor.................. 6, 12, 62, ........................ 65, 247, 248, 267 Fahrwiderstand ................ 108, 112, ...................... 114, 115, 116, 117 Fahrzeit.......................... 63, 66, 93, ................................. 94, 95, 233 Fliehkraft ............ 35, 221, 223, 224, .............. 225, 226, 227, 228, 229 Flüssigkeitsförderung ................ 91, ............. 128, 129, 136, 142, 146, .............. 147, 196, 205, 206, 207 Förderband ............... 35, 37, 64, 67 Förderhöhe ...... 135, 137, 140, 147, .............. 149, 153, 157, 159, 238 Förderleistung.................... 48, 144, ............. 148, 150, 155, 156, 159, .............. 160, 192, 234, 237, 238 Förderleistungsdiagramm ..... 80, 81 Fördermittelgrösse ...................... 58 Förderschnecke ............... 166, 167, .............................. 170, 171, 172 Füllfaktor ........................ 12, 56, 62, ....................... 65, 72, 77, 92, 93, ..................... 113, 114, 247, 248, .............................. 258, 259, 260 Füllung ...... 249, 251, 256, 258, 259 Füllungsgrad ....... 68, 167, 168, 171
H Hochbau........................2, 231, 234 Hubmasse ................................ 232 Hüllrohr .................................... 245 Hydraulikbagger ......55, 56, 57, 257
I
G
Injektionsgut ............................. 203 Injektionssäulendurchmesser ... 209
Geräteausnutzungsgrad .............. 6, ................... 7, 12, 13, 43, 56, 62, ................. 65, 68, 74, 77, 79, 83, ............... 92, 168, 175, 181, 186, ............. 211, 220, 232, 235, 236, ...................... 238, 247, 248, 274 Gerätezustandsfaktor .................. 6, ................. 12, 56, 62, 65, 67, 74, ............. 77, 80, 83, 92, 123, 168, ............. 175, 181, 186, 211, 220, ...... 232, 235, 238, 247, 248, 273 Gesamtaushub ........................... 16 Gesamtstundenaufwand .......... 241, ...................... 242, 244, 247, 248 Gesamtverlusthöhe .................. 126 Gesamtwasserbedarf ..... 22, 25, 26
J Jetgrouting ....................... 201, 202
K Kavitation ......................... 142, 149 Kettenlader ..............55, 65, 67, 268 Kluftfaktor ......................... 174, 176 Kluftflächen .............................. 176 Kompressor .........35, 37, 41, 43, 46 Kornverteilung .......................... 207 Krane ............................4, 231, 232 Kreiselpumpe .................. 141, 142, ......................146, 147, 158, 160
297
Mantelreibung .................. 212, 218 Meisselgrösse .................. 174, 180 Meisselverbrauch ..................... 184 Muldeninhalt .................. 92, 93, 94, .......................98, 100, 247, 248, .......................249,250, 260, 276
kritische Fliessgeschwindigkeit ....... .............................................. 143 Krümmung ........................ 141, 275 Kurvenwiderstandsbeiwert....... 114, ............. 115, 116, 119, 247, 248 Kurzzeitleistungen ...................... 11
L
N
Laderaupe ............................ 55, 65 Ladeschaufel .............. 57, 251, 253 Langzeitleistung.................. 13, 103 Lastkraftwagen LKW ................... 2, ........... 10, 58, 64, 67, 69, 91, 92, ................... 94, 95, 96, 249, 254, ...................... 260, 267, 268, 270 Leistung ................. 1, 2, 4, 7, 8, 10, ........... 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, ........... 21, 27, 28, 29, 30, 32, 52, ............. 70, 76, 82, 98, 158, 161, ............. 186, 188, 192, 217, 220, ............. 232, 240, 261, 262, 268, ...................................... 272, 274 Leistungsaufnahme ............. 28, 38, ...................... 147, 151, 159, 161 Leistungsbegriff ................ 1, 2, 262 Leistungseinflussfaktor ................ 6, ............. 7, 12, 42, 44, 56, 62, 65, ........... 68, 74, 77, 79, 81, 83, 92, ............. 168, 175, 181, 186, 211, ...................... 220, 232, 234, 238 Leistungswert ............. 1, 2, 8, 9, 27 Leitfähigkeit .......................... 32, 39 Litzen ........................................ 245 LKW ............... 2, 58, 64, 67, 69, 92, ................... 94, 95, 97, 249, 254, ...................... 260, 267, 268, 270 Lösefaktor ...................... 12, 56, 62, ................. 65, 69, 70, 74, 77, 79, ................. 80, 92, 105, 113, 165, ..................... 166, 175, 247, 248, .............................. 255, 255, 256 Lösegerät.................................... 16 Lüften ....................... 189, 190, 191 Luftmenge................. 192, 193, 194 Lüftung ..................................... 192 Lüftungsaggregate .................... 173 Lutte ......................... 192, 193, 194
Nenninhalt ..................... 12, 23, 56, ............ 62, 65, 79, 94, 100, 113, ............. 114, 235, 247, 248, 251, ..............................252, 253, 258 Nettopenetrationsleistung ........ 174 Nettovortriebsleistung ............. 163, ..............................164, 166, 174 Nutzleistung ................4, 12, 13,14, .......... 17, 56, 62, 65, 68, 69, 74, ........... 83, 92, 99, 105, 123, 232, ......................256, 261, 266, 268 Nutzrammleistung ............ 211, 220
O Ortsbrust ......................... 145, 166, ......................181, 189, 190, 191
P Penetration ................174, 177, 179 Permeabilität ............................ 207 Pfahlspitzenwiderstand .... 212, 218 Planiergerät .............55, 68, 79, 105 Planierraupe ........................ 70, 71, ..................................72, 73, 105 Produktionskette ............... 1, 9, 10, ..................................... 270, 273 Prozesskette .........13, 17, 106, 263 Prozesskettenleistung .............. 106 Pumpe...............135, 136, 137,138, ............. 141, 142, 144, 145, 146, ............. 147, 148, 149, 152, 153, ............. 157, 159, 160, 161, 165, .............. 196, 205, 206, 237, 238 Pumpendruck ........................... 206 Pumpenleistung ........146, 150, 237
R Radlader .............................. 55, 62 Rammbarkeit ............................ 227 Rammen ...................201, 211, 220 Rauhigkeitswert.........129, 130, 138
M Manövrierzeit .............................. 66
298
Raupenplaniergerät ............. 55, 68, .................................... 79, 80, 81 Reduktionsfaktor............. 4, 12, 274 Reibungsverlusthöhe ................ 129 Reissbarkeit .......................... 75, 76 Reynoldszahl .... 129, 131, 138, 156 Rohrkennlinie............ 154, 158, 162 Rohrleitung .................... 22, 23, 26, ............................... 45, 128, 129, .............................. 138, 148, 153 Rollwiderstandsbeiwert .............. 96, ............. 108, 111, 114, 115, 116, ...................... 119, 120, 247, 248
Spannungsabfall .................. 32, 39 Spezialtiefbau .......................... 201 Spielzeit ........................ 12, 56, 57, ................. 60, 61, 62, 63, 64, 65, ................ 66, 67, 94, 97, 98, 100 Sprengarbeiten ........................ 173 Sprengen .... 13, 188, 191, 192, 256 Sprengloch ............................... 190 Spundbohlen ............................ 219 Stahlbetonarbeiten ........... 231, 240 Stauungen ........................ 167, 168 Steigung ...............70, 96, 108, 114, .....................118, 123, 168, 169, ..................................... 170, 172 Steigungsfaktor .....68, 72, 168, 169 Steigungswiderstand ................ 108 Stossziffer ........................ 212, 218 Streckenlast ............................. 170 Stromversorgung.................. 19, 27 Systemschalung ....................... 242
S SAE-Norm ....................... 249, 250, ...................... 251, 251, 258, 259 Saughöhe ........................ 138, 141, .............. 142, 146, 150, 157, 160 Schalungstechnik ..................... 242 Schalungsvorbereitung ............. 242 Schieferung .............................. 186 Schienen........................... 116, 122 Schildarteinflussfaktor .......... 68, 72 Schlagenergie................... 212, 213 Schlagramme ................... 212, 213 Schmalspur............... 112, 275, 276 Schneckenachse ...... 167, 169, 171 Schneckenförderung .......... 91, 165 Schneckenganghöhe ............... 166, .............................. 168, 169, 172 Schneckenkraft ................. 170, 171 Schneidkraft.............................. 202 Schneidleistung ........................ 207 Schubbahnfaktor ........................ 72 Schüttdichte ....................... 93, 114, ............................. 167, 171, 247, ...................... 248, 254, 255, 256 Schutterleistung .......................... 14 Schütthöhe ........................... 83, 86 Schwerlastkraftwagen SKW ...... 91, ............................. 92, 93, 95, 97, .............................. 249, 260, 268 Scraper ......... 55, 68, 77, 79, 80, 81 Separationsanlage ............... 19, 48, .................................. 51, 52, 152 Separationsintervall ............. 48, 49, .................................... 50, 51, 52 Sieblinie .............. 48, 49, 50, 51, 52 Sozialeinrichtung .................. 19, 20 Spannung ................. 28, 29, 32, 39
T Tagesdurchschnittsleistung .. 15, 16 Teilschnittmaschine...173, 181, 182 Theoretische Leistung .............. 232 Tieflöffel .............................. 55, 58, ......................251, 252, 256, 258 Trennschnitt ............................... 53 Tunnelbaugerät ........................ 173 Tunnelbohrmaschine............... 151, ..............................173, 174, 178 Tunnelvortrieb .................. 144, 165 Tunnelvortriebsmaschine TVM ...... ....................................... 48, 165 Turmdrehkran .................... 27, 232
U Umlaufzeit ................68, 69, 77, 78, ............ 92, 93, 97, 102, 103, 221
V Ventilationsleistung .................. 194 Verdichtungsfaktor .............. 83, 84, ..............................235, 236, 257 Verdichtungsgerät .......... 55, 83, 84 Verlust ........................... 22, 25, 45, ............. 128, 138, 142, 145, 149, ............. 153, 156, 157, 159, 192, ..................................... 206, 270
299
Verlustbeiwert .................. 129, 132, .............. 133, 134, 138, 202, 206 Verpressen ............................... 245 Vi brationsramme ............. 221, 222, .............. 223, 224, 225, 226, 227 Volumenkonzentration ..... 139, 143, ...................................... 145, 153 Vorhaltezeit............. 3, 4, 15, 17, 18
W Wandelement ........................... 248 Wasserbedarfsermittlung ............ 21 Wasserversorgung ............... 19, 21 Widerstand ................................. 28 Widerstandsbeiwert ......... 115, 116, .............. 129, 156, 160, 212, 218 Wirkungsgrad ...................... 28, 39, ............. 127, 148, 150, 151, 158, .............................. 171, 212, 237
Z Zahnzustandsfaktor ............... 6, 12, ................. 56, 62, 65, 67, 76, 79, .............................. 247, 248, 272 Zeiteinheit ................................. 2, 3 Zugkraft ...... 75, 107, 109, 116, 119
300
