Leistungsermittlungshandbuch fur Baumaschinen und Bauprozesse, 3. Auflage

Gerhard Girmscheid Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse Gerhard Girmscheid Leistungsermittl...

Author: Gerhard Girmscheid

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Gerhard Girmscheid Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse

Gerhard Girmscheid

Leistungsermittlungshandbuch für Baumaschinen und Bauprozesse 3., überarbeitete Auflage

Mit 87 Abbildungen

£} Springer

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Prof. Dr. Gerhard Girmscheid ETH Zürich Institut für Bauplanung und Baubetrieb Wolfgang-Pauli-Str. 15 8093 Zürich Schweiz [email protected]

Kopublikation mit vdf Hochschulverlag Zürich 3-540-22508-0 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 3-7281-2977-1 vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich ISBN

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. 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 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 Bestiramungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestiramungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Gerraany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch 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. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: design &production, Heidelberg Satz: Digitale Druckvorlage der Autoren Gedruckt aufsäurefreiem Papier

07/3020/M

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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 untemehmensspezifische 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. Im Anhang findet der Leser auf einer CD eine Zusammenstellung der üblichen Standardgeräte mit entsprechenden technischen Informationen, die in der Angebotsphase und zur Vorbereitung einer Baustelle meist V

ausreichend sind. Damit dient der Anhang des Buchs gleichzeitig auch als maschinentechnisches Nachschlagewerk im Baubetrieb. Er soll jedoch nicht die Baugerätelisten oder Herstellerprospekte ersetzen; für spezifische technische Informationen und bei speziellen Geräten sind in jedem Fall die neuesten entwicklungsgebundenen Daten der jeweiligen Hersteller heranzuziehen. 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

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.

VI

Inhaltsverzeichnis

1 1.1 1.2 1.3 1.4

LEISTUNG IM BAUBETRIEB Leistungsbegriffe Bestimmung von Leistungswerten Leistung von Produktionsketten Allgemeine Leistungsberechnung von Lösegeräten

1 2 8 10 11

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

BAUSTELLENEINRICHTUNGEN Sozialeinrichtungen Wasserversorgung Stromversorgung Druckluftversorgung Separationsanlagen

19 20 21 27 40 47

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

ERDBAUGERÄTE Hydraulikbagger Radlader Laderaupe Planiergeräte Verdichtungsgeräte

53 54 60 63 66 81

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

TRANSPORTGERÄTE LKW; SKW; Dumper Gleisförderung Bandförderung Flüssigkeitsförderung Schneckenförderung

89 90 108 119 124 161

VII

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

TUNNELBAUGERÄTE Tunnelbohrmaschine Teilschnittmaschine Bohrmaschinen Bohren und Sprengen einer Ortsbrust Lüftung

169 170 177 182 185 188

6 SPEZIALTIEFBAU 6.1 Jetgrouting 6.2 Rammen

197 198 207

7 7.1 7.2 7.3

HOCHBAU Krane Betonanlagen Stahlbetonarbeiten

227 228 231 236

8

FAKTOREN

243

9

Anhang: CD

275

10 Literaturverzeichnis

281

11 Abbildungsverzeichnis

287

12 Tabellenverzeichnis

291

13 Stichwortverzeichnis

295

VIII

1

Leistung im Baubetrieb Leistungsbegriffe Bestimmung von Leistungswerten Leistung von Produktionsketten Allgemeine Leistungsberechnung von Lösegeräten

Leistung im Baubetrieb 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. • Aushub von Bodenmasse in m3 • Herstellen von Wandschalung in m2 • Verlegen von Betonstahl in t oder bei Betrachtung einer vom Bauherrn geforderten Gesamtleistung • Herstellen einer Fertiggarage in Stück • 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: • m3 Material in ungestörter, natürlicher Lagerung • m3 Material in aufgelockertem Zustand, z.B. auf einer LKW-Mulde • m3 Material in wieder eingebautem, verdichtetem Zustand Ein m3 Beton kann aufgefasst werden als: • m3 trockenes Gemisch aus Zuschlagstoffen und Zement • m3 unverdichteter Frischbeton • m3 verdichteter, abgebundener Beton Betongüte, Art der Zuschlagstoffe und des Zements, Wassergehalt sowie Verarbeitungsverfahren sind allerdings noch nicht präzisiert.

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 - 1 0 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: • Betriebszeit = reine Arbeitszeiten des Geräts einschliesslich der Umsetzzeiten innerhalb des Arbeitsbereichs. • Einsatzzeit = Betriebszeit, Vorbereitungszeiten (z.B. Auslegen von Baggermatratzen) und Einarbeitungszeiten, Umsetzzeiten innerhalb der Baustelle, betrieblich bedingte Wartezeiten und Zeiten für den Abschluss der Arbeiten. • 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].

Verschroltung

Anschaffung - LebensdauerNutzungsdauer Vorhaltezeit 1

Vcrha t 3zeit II

Baustelle 1

3aus e le II

/An- und Abl transport

1

/forberei ( ung/Ein \arbeitun

\uf-, Um-, Abbau

jnsafe zeit

1

Betriebszeit

Stillliegezeit

1

Umsetzen

X

Wartung / Pflege

Reparatur J

Bauh ofzeit

Vorhaltezeitlll

Ba hof

Baustelle III

^Barait( stellung/ Vj-agerunQ

Reparatur ]

1

Betrieblich AbschlussN bedingie Wartezeil derArbeiteni

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 Qo muss aufgrund verschiedener, zum Teil interaktiver Einwirkungen auf die Nutzleistung QN abgemindert werden. Diese Reduktionsfaktoren setzen sich aus folgenden Einflussbereichen [5] zum Euler'schen Produkt zusammen: • den humanen Faktoren (Qualifikation und Motivation der Maschinisten) • den organisatorischen Faktoren (Qualifikation der Bauleitung und Arbeitsvorbereitung zur Gestaltung organisatorischer Abläufe) • den technischen Faktoren (an die Aufgaben angepasstes Gerät sowie technischer Zustand)

• den umweltbedingten Faktoren (Wetter, Temperatur, Bodenzustand etc.) Die humanen, organisatorischen und umweltbedingten Faktoren setzen sich z.B. zusammen aus: • dem Bedienungsfaktor rd [-]. 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 T|I [-] [3]

Ausbildung und Qualifikation sehr gut (geübt) durchschnittlich sehrgut (geübt)

Leistungsmotivation

T11

sehrgut(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. • den Betriebsbedingungen ri 2 [-]. 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 r\-\ x r|2 wird auch als Betriebsbeiwert bezeichnet.

Leistung im Baubetrieb

1

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 Qo 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 Leistungsflussfaktoren untergliedern sich in (nach [5] und [8]): • fi • f2 • f3

• f4 • f5

Abbau- bzw. Grabtiefenfaktor: Geometrische Relationen wie Abbauhöhe/Grabentiefe zu Löffelstiellänge. Schwenkwinkeleinfluss- bzw. Fahrwegfaktor: Verhältnis des idealen zum realen Schwenkwinkel bzw. Fahrweg vom Lade- zum Abladepunkt. 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. Schneiden- bzw. Zahnzustandsfaktor: Abnutzungsgrad der Schneid- bzw. Aufladewerkzeuge. Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor: Einsatzzeit, Instandhaltungszustand des Geräts.

Der Geräteausnutzungsgrad r|G [-] 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.

Leistung im Baubetrieb Tabelle der Leistungseinflussfaktoren, durch die die in den Handbüchern [6], [7] beschriebenen Idealbedingungen abgemindert werden: Tabelle 1-2: Leistungseinflussfaktoren r|-i

< 1:

Mensch: Leistungsfaktor des Geräteführers (Ausbildung, Motivation)

r\2

^ 1:

Organisation und Umwelt: Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Leistung (Wetter, Staub, Helligkeit, Arbeitsvorbereitung, Arbeitsabläufe etc.)

f-i.. .f

5

< < 1:

Technik: Technische Einflussfaktoren 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.

Leistung im Baubetrieb 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. l-t-LcHunq -

9eleistete M e n 9 e verbrauchte Arbeitszeit

l-t-Aufwand-wcrt

verbrauchte

Arbeitszeit geleistete Menge

1 Ist-Leistung

Durchschnittliche Leistungswerte für Bauleistungen sind in Standardbüchern [9], [10], [11], [12] zusammengestellt, werden abervon den Bauunternehmen meist anhand eigener Erfahrungen aufgestellt und auf dem neuesten Stand gehalten. Folgende Punkte sind bei der Ermittlung der Leistungswerte zu berücksichtigen: • 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

-

-

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.

• 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]: • Die Dauer einzelner Arbeitsvorgänge wie auch der Verlustzeiten misst man mit durchlaufender Stoppuhr. • 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.

Leistung im Baubetrieb 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 • im Betonbau von Betonmischer, Betontransport, Betonpumpen und Betonverteiler; • 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 Regei 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].

10

Leistung im Baubetrieb 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.

Die Grundleistung Qo [fm3/h] berücksichtigt die materialabhängigen Einflussfaktoren und erfolgt unter optimalen technischen Betriebsbedingungen, aber ohne Berücksichtigung technischer, bedienungs- und betriebsbedingter Einflüsse sowie der Geräteausnutzung.

Die technische Grundleistung QTo [fm3/h] berücksichtigt alle materialabhängigen und technischen Einflussfaktoren, ohne bedienungs- und betriebsbedingte Einflüsse sowie die Geräteausnutzung.

11

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 —

SAE

3 r fm /hl [II /i IJ

x ^fiOO x k x k x k x n

k i - = axcp

[

= f., X f2 X f3 X f4 X f5

VSAE

ts a 9 112

fi

f2 f3 f4 f5

ki

k2 k3

[

Nenninhalt Grab-/Transportgefäss gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Abbau-/Grabtiefenfaktor Schwenkwinkel-/Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor SchneidenVZahnzustandsfaktor Verfügbarkeits7Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad

3

[m ] [ s] [ fm3/!m3] [ [ [ [ [ •] [ [ [ [ [ -] [ -] [

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 KurzzeitVNutzleistung QN sind neben den auf die Grundleistungen Qo bezogenen technischen Reduktionsfaktoren bereits auch die Bedienungs- und Betriebsbedingungen wie Motivation, Wettereinfluss etc. sowie die Geräteausnutzung während der Betriebszeit enthalten. Berücksichtigt wird ferner, dass eine neue Maschine hö-

12

here 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 KurzzeitVNutzleistung sind die folgenden Reduktionen nicht enthalten: • Vorbereitungszeiten (z.B. Auslegen von Baggermatratzen oder das Umrüsten auf ein anderes Grabgefäss) • Unterbruchszeiten für das Umsetzen an einen neuen Standort auf der gleichen Baustelle • Betrieblich bedingte Unterbrechungen und Wartezeiten • 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 - 1 0 Stunden. In der restlichen Zeit werden andere Arbeiten durchgeführt. Das bedeutet, dass die effektive Nutzleistung QN [fm3/h] des Geräts wesentlich von der Durchschnittsleistung QAT [fm3/h] pro Arbeitstag abweichen kann. Das Gleiche gilt auch bei Baugruben, wenn z.B. in einer ge-

13

Leistung im Baubetrieb wissen Tiefe der Aushub unterbrochen werden muss, um Anker- oder Aussteifungsarbeiten durchzuführen. Leistung bei zyklischen Arbeiten Q [fm3/h] Schutterleistungen

[-] Zyklus [h] Tagesarbeitszeit [T] Tage Zyklus I: Zyklus II:

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: • Die Wahl der Maschinen erfolgt aufgrund der erforderlichen Nutzleistung QN bzw. Grundleistung Qo. • Die Tagesleistung QAT ist eine Durchschnittsleistung, die meist dann deutlich von QN abweicht, wenn zyklische Arbeiten durchgeführt werden, oder bei Geräteumsetzungen zu anderen Arbeitsstätten mit zyklischem Charakter.

14

Leistung im Baubetrieb

1

• 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]

Bild 1-3: Leistungsverlauf QN QAT QET Tjransp TEin TB Ty T Rep Tscmuss TE Tv d

NutzVDauerleistung des Geräts A Leistung bezogen auf die Betriebszeit Tagesdurchschnittsleistung des Geräts A Leistung bezogen auf die Tagesarbeitszeit mittlere Einsatzleistung des Geräts 4 Leistung bezogen auf die Einsatzzeit Zeit für den Transport Einarbeitungszeit Betriebszeit des Geräts pro Arbeitstag Zeit für betrieblich bedingte Unterbrechungen Zeit für Wartungen und Reparaturen Dauer der Schlussphase E i n satzze it de r G e räte Vorhaltezeit Vorgangsdauer - mögliche Betriebs- bzw. Arbeitstage gemäss Terminplan (Einsatzzeit)

15

[fm3/h] [fm3/h] [fm3/h] [h]; [h]; [h]; [h]; [h]; [h]; [h]; [h]; [h];

[AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT]

Leistung im Baubetrieb Die effektive Leistung, bezogen auf die Arbeitszeit Q A T [fm3/h] bzw. die Einsatzzeit QET [fm3/h], ergibt sich zu: Arbeitszeit:

[fm3/h]

Q A T = Q N x —— TAT

Einsatzzeit:

Q ET = Q A T x —— = Q N x —5'ET

QAT QET QN TB TAT TET

[fm3/h]

TET

Tagesdurchschnittsleistung des Geräts mittlere Einsatzleistung des Geräts NutzVDauerleistung des Geräts Betriebszeit des Geräts pro Arbeitstag Arbeitsstunden pro Arbeitstag Einsatzstunden pro Arbeitstag

[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:

V TAT d

Gesamtaushub (Arbeit) Arbeitsstunden pro Arbeitstag Vorgangsdauer-mögliche Betriebs- bzw. Arbeitstage gemäss Terminplan (Einsatzzeit)

[fm3] [h/AT] [AT]

Anzahl der Losegeräte n [-] QET n

"

ert

M L J

QET T

rfm 3 /hl

TET QET TB TET

mittlere Einsatzleistung eines Geräts Betriebszeit des Geräts pro Arbeitstag Einsatzstunden pro Arbeitstag

16

[fm3/h] [h/AT] [h/AT]

Leistung im Baubetrieb Die Leistung Q A T 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 T A T [h/AT] ergibt sich aus: [h/AT]

Die Arbeitszeit pro Tag TATsetzt sich zusammen aus: • der Betriebszeit des Geräts TB • den möglichen gewollten und ungewollten Unterbrechungen j

z.B. durch Umsetzen der Maschinen, Unterbruch in der Versorgung, kleine Wartungsarbeiten, zyklische Arbeiten Die Arbeitszeit T A T 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: • • • • • •

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

Leistung im Baubetrieb

1 l^ 1 TTI 1 1 i

Damit ergibt sich die Einsatzzeit TET zu: "1"ET

T Vor T E in

TB Ty TUm

=

"^"vor + "^Ein + T B + T j + T U m + T S c h | u s s

Vorbereitungszeiten Einarbeitungszeit Betriebszeit Zeit für betrieblich bedingte Unterbrechungen Umsetzzeiten auf der Baustelle Dauer der Schlussphase

[h] [AT] [h]; [hj; [hj; [hj; [hj; [hj;

[AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT]

Die Vorhaltezeit T V T umfasst die Einsatzzeit und d a s Einrichten sowie die Auf-, U m - und A b b a u der Geräte mit d e n d a z u g e h ö r i g e n Transportzeiten, die Stillliegezeit auf der Baustelle und die Zeiten für Wartung/Pflege u n d Reparatur. Damit ergibt sich die Vorhaltezeit T V T Z U :

Rep

Zeiten für A n - und Abtransport Zeiten für d e n Aufbau Reparaturzeiten W a r t u n g s - und Pflegezeiten Stillliegezeiten Umbauzeiten Abbauzeiten

[h]; [h]; [h]; [h]; [h]; [h]; [h];

[AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT] [AT]

Es ist d a h e r sehr wichtig, dass bei L e i s t u n g s a n g a b e n der B e z u g s z e i t r a h m e n g e n a u a n g e g e b e n wird.

18

2 Baustelleneinrichtungen Sozialeinrichtungen Wasserversorgung Stromversorgung Druckluftversorgung Separationsanlagen

t

Sozialeinrichtungen

rnr

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 1/10derGrundfläche

Zudem sind spezifische Anforderungen hinsichtlich Tischen, Stühlen, Schränken und anderer Einrichtungsgegenstände zu beachten.

20

Wasserversorgung

93

2.2 Wasserversorgung [17] Begriffsbestimmung und Berechnungsvorgang • Wasserbedarfsermittlung: Die Wasserbedarfsermittlung ist notwendig zur Dimensionierung der Versorgungsquelle, der Versorgungsleitungen und eventueller Zusatzeinrichtungen wie Pumpanlagen. Ermittlung anhand von Richtgrössen: a) Arbeitnehmer Trink- und Brauchwasserbedarf der Arbeitnehmer (AN) am Arbeitstag (AT) [I/AN und AT] Anzahl AN x Richtwert [m3/AN und AT]

=

[m3/AT]

=

[m3/AT]

Leistung Anlage [m3/AT] x Richtwert [m3/m3]

=

[m3/AT]

Zwischensumme 1

=

[m3/AT]

b) Aufbereitungsanlagen Beton- und [m3/m3]

Mörtelanmachwasserbedarf

Leistung Anlage [m3/AT] x Richtwert [m3/m3] c) Sonstige Anlagen Sonstiger Brauchwasserbedarf für Wasch-, Sieb- oder Trennanlagen für Zuschlagstoffe [m3/m3]

21

Wasserversorgung 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 x 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 x Zwischensumme 2 [m3/AT] Gesamtwasserbedarf Qc

[m3/AT] [m3/AT]

Dimensionierung der Rohrleitung a) Maximaler stündlicher Wasserbedarf Q [l/s] Wassermenge für allgemeinen Gebrauch Q^ax [l/s] Der maximale stündliche Wasserbedarf (Q1max) ergibt sich aus dem 1.5fachen des durchschnittlichen täglichen Gesamtbedarfs (s.o.)-

Q1

max

A

"TAT

X

M

[l/s]

3.6

Q1

maximaler stündlicher Wasserbedarf der Baustelle

[l/s]

Q0 TAT

durchschnittl. tägl. Gesamtwasserbedarf tägliche Arbeitszeit

[m3/AT] [h/AT]

22

Wasserversorgung Wassermenge für Betonmischer Q^a 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]

Q2 Vmisch At

maximaler stündlicher Wasserbedarf zur Betonherstellung Nenninhalt des Mischers 20 Sekunden Zulauf für Betonmischer

[ I] [s]

Bei grossem Wasserbedarf für den Mischer empfiehlt sich die Anordnung eines Zwischenspeichers. Maximaler stündlicher Wasserbedarf Q [l/s] Q = max{Q 1 max ;c4 x }

[l/s]

b) Durchmesser der Rohrleitung d [dm] Der Durchmesser der Rohrleitung d [dm] ergibt sich aus dem maximalen stündlichen Wasserbedarf Q [l/s]:

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

Wasserversorgung Richtgrössen für den Wasserbedarf Tabelle 2-2: Wasserbedarf [17]

Trinkwasser und Waschen

20

- 30

I/(AN und AT)

40

Duschen

I/(AN und AT)

Trinkwasser, Waschen und Duschen

40

- 70

I/(AN und AT)

Trink- und Brauchwasserbedarf bei Tagesunterkünften

20

- 30

I/(AN und AT)

Trink- und Brauchwasserbedarf bei Wohn- und Schlafunterkünften

50

- 100

I/(AN und AT)

Betonanmachwasser

0.1 -

0.2 m3/m 3Beton

Mörtelanmachwasser

0.2-

0.25 m3/m 3Mörtel

Brauchwasser für Kiesaufbereitung

1.0-

3 3.0 m /m 3Kies

Zuschlag für weiteres Brauchwasser

20

- 25

%

Wasserverluste bei provisorischen Leitungen

10

- 20

%

24

Wasserversorgung Beispiel zur Ermittlung des Gesamtwasserbedarfs einer Bürogebäude-Baustelle • Ausgangsdaten max. Anzahl Arbeitnehmer (AN) Betonarbeit davon in Wohnunterkünften in Tagesunterkünften max. Betonierleistung

15 5 10 180 0 .15 25 15

Betonanmachwasser Zuschlag weiteres Brauchwasser Zuschlag für Verluste

AN AN AN m

Beton/A1

m3/m

Beton

% %

• Wasserbedarf der AN 10 AN x 0.05 m3/(AT und AN) 5 AN x 0.03 m3/(AT und AN)

3 0 .5 m /AT 3 0 .15 m /AT

Der maximale Bedarf ergibt sich meist, wenn im letzten Geschoss noch die Rohbauarbeiten laufen und in den Untergeschossen schon der Ausbau beginnt (hier 20 AN für den Ausbau). 20 AN x 0.03 m3/AT und AN

=

6.0

m3/AT

• Wasserbedarf Betonherstellung 180 m^eton /AT x 0.15 m3/m^eton

=

27.00 m3/AT

Zwischensumme 1

=

33.65 m3/AT

Nachbehandeln des Betons und Gerätereinigung 25 % von 33.65

=

8.41 m3/AT

Zwischensumme 2

=

42.06 m3/AT

=

6.31 m3/AT

=

48.37 m3/AT

Sonstiges

Leitungsverluste

15 % von 42.06

Gesamtwasserbedarf

25

Wasserversorgung Beispiel zur Dimensionierung der Rohrleitung • Ausgangsdaten Wasserbedarf Fliessgeschwindigkeit Anzahl Arbeitsstunden pro Arbeitstag Faktor für stündlichen Spitzenbedarf Zwangsmischergrösse Wasserzugabezeit in den Mischer

= 48.37 = 0.8 = 9 = 1.5 = 1250 = 20

m3/AT m/s h/AT

8 dm/s

I s

• Max. Wasserbedarf pro Stunde aus Gesamtwasserbedarf Qi

_ 48,37

15

_

Qmax

"

3.6

"

9

aus Betonmischergrösse 2

_ 0-2x1250 «

_

Qmax

Es empfiehlt sich die Anordnung eines Zwischenspeichers, da ansonsten die Leitungsdimensionierung zu einem unwirtschaftlichen Durchmesser führt. Für die Dimensionierung ist dann Q ^ massgebend.

Durchmesser Gesamtzuleitung ? ?4 J4x8x/z-

=

26

0.60 dm

= 60 mm

2.3 Stromversorgung [17], [18], [19] Begriffsbestimmung und Berechnungsvorgang • 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: • Einphasenwechselstrom (230 V) Die Angabe der wirksamen Leistung in [kW] von Verbrauchern wie z.B. Beleuchtung, Wasserkocher entspricht dem Anschlusswert. Stück

Verbraucher

2

Kranleuchten

Wirkleistun g[kW] einzeln Gesamt 40 80

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

Motorleistur lg [kW] einzeln gesamt 40 80

Stromversorgung 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 r| ermittelt:

H r\ 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 P2U = ^ *1

[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 P s setzt sich zusammen aus einer Wirkleistung Pw [kW] Pw = U x l w =Uxlxcoscp Pw U 1 Iw coscp

[kW]

Wirkleistung Spannung Scheinstrom Wirkstrom Leistungsfaktor für den Wirkstrom 28

[kW] [V] [A] [A] [-]

Stromversorgung und einer senkrecht dazu stehenden Blindleistung PB [kVA] PB=UxlB=Uxlxsin(p PB

U 1 IB

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 coscp [-]. [-] Ps Pw cos
Scheinleistung Wirkleistung Leistungsfaktor für den Wirkstrom

[kVA] [kW] [-]

Für einzelne Motoren kann der Leistungsfaktor coscp mit 0.8 - 0.9 angenommen werden. Bei Zusammenfassung mehrerer Verbraucher liegt der Wert für cos

b

Ps Pzu coscp

zu

p

FkA/Al [KVAJ

coscp Scheinleistung zugeführte Leistung (= Wirkleistung Pw) Leistungsfaktor für den Wirkstrom

29

[kVA] [kW] [-]

Stromversorgung Vektoriell stellt sich der Zusammenhang zwischen Wirk-, Blindund Scheinleistung wie folgt dar: Wirkleistung P w [kW]

m D.

c

13

m

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 P w . 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 °Sges

Ps PwB

coscp sino)

- V(^s x

C0S(

P + PWB )2 + (Ps x sincp)2

gesamte Scheinleistung Scheinleistung Wirkleistung der Beleuchtung Leistungsfaktor für den Wirkstrom Leistungsfaktor für den Blindstrom

30

[kVA] [kVA] [kVA] [kW] [-] [-]

Stroinvers orgung

;VA]

Wirkleistu i g P w der Motor«3n

[kW]

9 Gesbimt^^/sch^inleistung PSges

m

eis tung P

Wirkle istung Pv,

Blindle istung PB der Mc)toren

Scheinleistur Po

r s der Motoren

Wirkleistung Fw der Beleuchtu ng Bild 2-2: Schematische Darstellung der Gesamtleistung d) Anschiusswert 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: • 0.4 - 0.5 für Grossbaustellen • 0.6 - 0.75 für sonstige Baustellen • 0.75 - 0.85 für Einzelgeräte mit mehreren Motoren Danach wird der Anschlusswert PAw [kVA]: [kVA]

X a

PAw PSges a

Anschlusswert der Baustelle Gesamtscheinleistung Gleichzeitigkeitsfaktor

31

[kVA] [kVA]

Stromversorgung Dimensionierung der elektrischen Versorgungsleitungen [17] a) Nach dem zulässigen Spannungsabfall Vertretbare Spannungsverluste AU in Versorgungsleitungen sind: • 5 % der Nennspannung bei 400 V d.h. 20 V • 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 AU[V]

Leitungsquerschnitt A [mm2]

Strom 11>ekannt Einphasenwechselstrom

AII

2xlLxl

.

2xlLxl

XxA %xAU Leistung P\N bekannt ^U

2 x IL x Pw %xAxU

2xlLxPw %xAUxll

A

Strom 11>ekannt Dreiphasen-

V3xl L xl

V3xl, xl

wechselstrom

XxA

%xAU

Leistung P\N bekannt 'L X P W

AU

XxAxU

u

Spannung Spannungsabfall Stromstärke Wirkleistung bzw. Anschlusswert PAW Leitungslänge II A Leitungsquerschnitt Leitfähigkeit X cos cp Leistungsfaktor AU 1 Pw

32

A

'L X PW

XxAUxU [V] [V] [A] [W] [m] [mm2] [m/Qr

Die Stromstärke I [A] ergibt sich • für Einphasenwechselstrom aus: 1 = Pw U x coscp für Dreiphasenwechselstrom aus:

V3xUxcoscp

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 lvorh ermittelt werden. Im Anschluss muss dieser Wert mit der zulässigen thermischen Dauerbelastbarkeit IZU| der Leitung überprüft werden. Die zulässige Dauerbelastungen in [A] und die Leitungsschutzsicherungen sind in Tabelle 23 aufgeführt.

33

Tabelle 2-4: Zulässige Dauerbelastung und Zuordnung von ÜberstromSchutzorganen für isolierte Leitungen [20] Grup pe1

Nennquerschnitt

Ku Dfer

Grup pe3

Gruf>pe2

Frei in Luft verlegte ein adrige Leitu ngen, wobei Rohr drähte, Feu ;htraumleitu ngen, dieLe tungen mit äMSChenra mvon Stegleitun en, frei in Luft verlegte Tiehradrige mindeslens Leitungsdurchmesser erfegt sind, Leitungen und mehr idrige Leiturigen zum Ar schluss ortveränderlicf ler und ein adrige Leitu lgen zum Aiischluss Stromve toraucher ortsveränderficher Stromverbr aucher (ei lschliessl. Leitungstross en)

Bi 3 zu 3 Leiturgen in Roh en

Ku Dfer

Alum nium

miTi

Belastbarkeit inA

Höchstzulässiger Nemstrom der Stromsicherung inA

Belastbarteit inA

Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung in A

0.75

—

—

—

—

1

12

10

—

—

1.5

16

15

—

—

2.5

21

20

16

4

27

25

6

35

10

Alum nium

Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung inA

Belastbarkeit inA

Höchstzulässiger Nennstrom der Stramsicherung in A

13

10

—

—

16

15

—

—

20

20

—

—

15

27

25

21

21

20

36

35

35

27

25

47

48

50

38

35

16

65

60

51

25

88

80

69

35

110

100

50

140

125

70

—

—

—

Alurr nium

Kupfer Höchstzulässiger Nennstrom der Stromsicherung inA

Belastbarkeit inA

Höchstzulässiger Nennstrom der Stronv sicherung inA

16

15

—

—

20

20

—

—

25

25

—

—

20

34

35

27

25

29

25

45

50

35

35

50

37

35

57

60

45

50

65

60

51

50

78

80

61

60

50

87

80

68

60

104

100

82

80

60

115

100

90

80

137

125

107

100

86

80

143

125

112

100

168

160

132

125

110

100

178

160

140

125

210

200

165

160

—

220

225

173

160

260

260

205

200

Belastbarkeit inA

Belastbarkeit inA

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

Stromversorgung Dreiphasenverbraucher-Richtgrössen für die Motorenleistung von elektrisch betriebenen Baumaschinen Tabelle 2-5: Motorleistung von Baumaschinen [4] Baumaschine

Kenngrösse

Motorleistung

Turmkran fahrbar stationär

Nennlastmoment 7 - 450 tm 32-1250tm

15.0-330.0 kW 20.0-145.0 kW

Aufzug Schnellbauaufzug Aufzug mit Fahrkorb

Traglast 0.2-1.0t 0.5-3.2 t

Betonmischmaschine Trommelmischer

Mischgefässinhalt 1 0 0 - 250 I 250-1500 1 1 5 0 - 240 I 750 - 4500 I

0.2 0.9 kW 2 . 0 - 15.0 kW 3.0 8.0 kW 19.0-110.0 kW

Betonmischanlage Trommelmischer Trog- / Tellermischer

Mischgefässinhalt 500 - 2000 I 375-1500 1

10.020.0-

Kompressor Kleinkompressor Kolbenkompressor Schraubenkompressor

Volumenstrom 0.04 - 1.65 m3/min 2.0 - 9.0 m3/min 3.0 -19.0m 3 /min

0 . 4 - 15.0 kW 1 5 . 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 400 mm Gurtbreite 600 mm Gurtbreite

Achsabstand 4.0-15.0 m 8.0-20.0 m

1.0 - 2.0 kW 2.0 - 6.0 kW

Trog- / Tellermischer

Rüttler Aussenrüttler Innenrüttler

Fliehkraft 1.0-25.0 kN Flaschendurchmesser 17.0-60.0 mm 35

2.08.0-

10.0 kW 30.0 kW

40.0 kW 50.0 kW

0.1 - 3 . 0 kW 0.6 - 3.0 kW

Stromversorgung Zwei- und Dreiphasenverbraucher-Richtgrössen für die Anschlusswerte von Elektrogeräten und Beleuchtung Tabelle 2-6: Anschlusswerte diverser Elektrogeräte [17] Elektrogerät Elektroherd Kaffeemaschine Wasserkocher Duschspeicher 30 I Boiler80 I 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

Stromversorgung Beispiel zur Ermittlung des Anschlusswerts einer Baustelle Zusammenstellung der eingesetzten Baumaschinen Tabelle 2-8: Moto rleistung diverser Baumasc hinen nach [4] Stück Baumaschine Motorleistu ng [kWl Gesamt Einzeln 1 2 1 1 1 2 1 2

Turmkran Kompressor Trommelmischer Förderband Tischkreissäge Handkreissäge Aussenrüttler Innenrüttler Gesamt

20.0 40.0 15.0 15.0 4.0 1.7 0.5 1.2

20.0 80.0 15.0 15.0 4.0 3.4 0.5 2.4 140.3 kW

=

Zusammenstellung der eingesetzten Elektrogeräte Tabelle 2-9: Anschlusswerte diverser Elektrogeräte nach [4] Stück 2 1 1 2

I

Elektrogerät

Anschlussw rert [kW] Einzeln Gesamt

Kaffeemaschine Wasserkocher Kühlschrank Heizlüfter Gesamt

1.0 2.0 0.2 2.0 =

37

2.0 2.0 0.2 4.0 8.2 kW

Stromversorgung Zusammenstellung der eingesetzten Beleuchtung Tabelle2-10: Ber«jchnungsbeispiel der eingesetzten Beleuc fitungen [4] Anschlus swert [kW] Stück Beleuchtung Einzeln Gesamt 1.0 1.0 1.0

4 Flutlichtlampe 4 Tiefstrahler 1 Kranleuchte 100 m'-Un terkünfte; 2 1 GlühIam|:De je 5 m

0.06

Gesamt

=

4.0 4.0 1.0 100/5x0.06 = 1.2 10.2 kW

Weitere Ausgangsdaten

= 0.85 = 0.6 =xp = 53.1 = 0.6

Motorwirkungsgrad r\ Leistungsfaktor cos

sin

Leistungsaufnahme der Baumaschinen n

140.3

• Leistungsbereitstellung des Netzes Scheinleistung B a u m a s c h i n e n

Ps

Scheinleistung Elektrogeräte Scheinleistung Beleuchtung

PS2 = 8.2 kVA PS3 = 10.2kVA

-275.10 kVA

Gesamtscheinleistung PSges = V(275.10x0.6 + 8.2 + 10.2) 2 +(275.10x0.8) 2 s • Gesamtanschlusswert pAW = 2 8 6 . 5 2 X 0 . 6 = 171.91 kVA

38

= 286.52 kVA

Stromversorgung Beispiel zur Dimensionierung der elektrischen Versorgungsleitungen [17], [20] • Annahmen Bewegliche Verteilerleitung frei in Luft verlegt Motorleistung des Verbrauchers (Kran) PK Wirkungsgrad des Motors r\ Gleichzeitigkeitsfaktor (hoch, da Einzelgerät) a Leistungsfaktor cos

= 45 = 0.80 = 0.85 = 0.70 = 30 =57 = 400

m m/Qmm2 V

=

%(10V)

2.5

kW

• Aufgenommene Wirkleistung

Massgebend für die Bemessung PAW =56.25x0.85 = 47.81 kW • Erforderlicher Leitungsquerschnitt

.

Aerf = e

47.81 x 30x10 3

57x10x400

__

= 6.3 mm

2

• Überprüfung der thermischen Belastbarkeit

l= y - 8 1 x 1 °

V3x 400x0.7

=98.58 A

Für einen Leitungsquerschnitt Aerf = 25 mm2 beträgt die zulässige Stromstärken-Belastbarkeit nach Tabelle 2-4 1 = 115 A > 1 = 98.58 A Gewählter Querschnitt 2 mehradrige Kupferleitung mit Querschnitt 4 x 25 mm: 39

Druckluftversorgung 2.4

Druckluftversorgung

Aus der allgemeinen Gasgleichung: TA pA VA TA pB VB TB

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] [m 3 ] [K] [bar] [m 3 ] [K]

lässt sich die Volumenstromgleichung für Druckluftsysteme wie folgt darstellen: Po xQN,Saug _ PK x Q N | K _ Py x Q N,v p0 Luftdruck a m Ansaugstutzen QN.saug Ansaugleistung bei Luftdruck p 0 Lufttemperatur a m Ansaugstutzen To (Aussentemperatur) pK Abgabeluftdruck a m Kompressor ins Druckleitungssystem Q N?K Abgabeleistung des Kompressors bei Druck p« Drucklufttemperatur am Kompressor TK Betriebsdruck des Verbrauchers pv Druckluftbedarf aller Verbraucher bei Druck p v QN,v Tv Drucklufttemperatur im Verbraucher

[bar] [m 3 /min] [K] [bar] [m 3 /min] [K] [bar] [m 3 /min] [K]

Die Volumenstromgleichung lässt sich überleiten zu: ^ X ^ "v K

[m7min]

mit p K = p v + Ap (Ap entspricht den Druckverlusten entlang der Leitung) und QN,v (Summe des Druckluftbedarfs aller Verbraucher), hierin sind die Leistungsfaktoren kj und r|G bereits berücksichtigt.

40

Druckluftversorgung Verbraucherleitungen Q N,K System

Q N.Saug

Hauptleitung

-•

Q m,V Q m+1,V

o w w

0 ü

0 Q.

ro

i5

e o

;:A P

Druck

i

Po

Volumenstrom

Q N.Saug

Bild 2-3: Druckverlauf eines Druckluftsystems

41

Druckluftversorgung Der Druckluftbedarf QN;V [m3/min] aller Verbraucher setzt sich zusammen aus:

QN,v QmV Wi k2 k3 f^ f2

Druckluftbedarf aller Verbraucher bei Druck p v Druckluftbedarf des Verbrauchers m bei Druck p v 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

f3 U T|G

[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 QNS-

QNK pv pK TK Tv

-Q

xPvx PK

9

=Q

x ^ '

[m3/min]

Tv j

[m3/min]

Po

Abgabeleistung des Kompressors bei Druck pK Betriebsdruck des Verbrauchers Abgabeluftdruck am Kompressor ins Druckleitungssystem Drucklufttemperatur am Kompressor ins Druckleitungssystem Drucklufttemperatur im Verbraucher 42

[m3/min] [bar] [bar] [K] [K]

Druckluftversorgung p0 To

Ansaugleistung (Volumenstrom) bei Luftdruck p0 Luftdruck am Ansaugstutzen (atmosphärischer Druck) Lufttemperatur am Ansaugstutzen (Aussentemperatur)

[m3/min] [bar] [K]

In der Praxis kann vereinfachend angenommen werden, dass die Temperaturdifferenzen innerhalb des Druckluftsystems gering sind und somit die Quotienten - ^ bzw. -2- vemachlässigt werden können. Tv Tv Der Leistungseinflussfaktor k2 [-] setzt sich aus vier Einzelkorrekturfaktoren zusammen: Abweichungsfaktor für effektiven Arbeitsdruck f^ [-] Tabelle 2-11: Abweichungsfaktor f, [-] Druck [bar] 5 6 7

fiH 0.83 1.00 1.17

Verlustfaktor zur Berücksichtigung des Verschleisses von Geräten und Werkzeugen f2 [-] Tabelle 2-12: Verlustfaktor f2 [-] Zustand gut erhalten ältere Geräte

f 2 [-] 1.05 1.10

43

Druckluftversorgung Gleichzeitigkeitsfaktor für den Betrieb mehrerer Geräte f3 [-]

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

0

5

10

15

20

Anzahl angeschlossener Geräte Bild 2-4: Gleichzeitigkeitsfaktor f3 [-] für Kompressoren [21] Faktor zur Berücksichtigung Leitungen f4 [-]

von

Verlusten

durch

undichte

Tabelle 2-13: Verlustfaktor f4 [-] - Undichtigkeiten Leitungszustand gut schlecht

U[-] 1.2-1.3 nach oben unbegrenzt

Druckluftbedarf Qm,v [m3/min] einiger Geräte Tabelle 2-14: Druckluftbedarf Q„ Gerät

Pick- und Abbauhämmer Bohrhämmer

Gewi<:ht [kg] 5 - - 10 11 -- 20 21 -- 40 15- - 25 8 0 - -110 ca. 150 44

Druckl jftbedarf bei 6bar 3 Qm.v[ m /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

Druckluftversorgung Bemessung der Rohrleitung Die inneren Verluste Ap [bar] des Druckleitungssystems durch Reibung an Einbauteilen und Rohrinnenflächen [bar]

Ap = p K - p v werden oft durch äquivalente Rohrleitungslängen ausgedrückt.

Die Nennlänge LNenn [m] kann daher wie folgt angegeben werden: [m] LNenn l_i i

Nennlänge der Druckluftleitung äquivalente Rohrleitungslänge des Einbauteils i zur Berücksichtigung der Reibung Einbauteil in Rohrleitung

[m] [m] [-]

Die Nennlänge eines Druckleitungssystems setzt sich zusammen aus der wahren Länge der Rohre plus äquivalenten Rohrleitungslängen L, für druckverzehrende Einbauteile. Die Nennlänge kann auch vereinfacht als 1.5-mal wahre Länge angenommen werden. [22] Äquivalente Rohrleitungslänge L, [m] für einige Einbauteile: Tabelle 2-15: Äquivalente Rohrleitungslängen U [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

45

Druckluftversorgung

1

Die Bemessung der Druckluftleitung, z.B. Hauptleitung bz w. Leitu ngsabschnitte j , erfolgt mittels Bild 2-5: d = f(QN,saug;LNenn j

[mr n]

d

[mnn]

j

=f

{QN,j; L Nenn,jl

d L Nenn ÜN.saug j

w

8000 6500 -^ 5000

0)

c c 0

Ansaugleistung QN s

[m3/min]

1, /// /// 1. W / //, y /// /// //// IIIII, '/////> '// I //// ///, /// I111/ 1 '///.V '/// 1 w III,'///,

cv

9500

"

[mm] [m] [m 3 /min]

Rohrleitungsdurchmesser N e n n l ä n g e der Druckluftleitung A n s a u g l e i s t u n g bei Luftdruck p 0 Rohrleitungsabschnitte

3500

w,'&*

il Wf w< 111/'///// V //// //// 'l l / WA V l>111///, p fß W/A

2000

//

900

\\

600

\\

300 150 50

lll////, 'iim. 0

50

100

150

200

250

300

350

Rohrleitungsdurchmesser d [mm] Bild 2-5: Bemessungsdiagramm für Druckleitungen [23]

46

400

450

Separationsanlagen 2.5 Separationsanlagen Die maximal anfallende Separationsmenge Qfest,i [t/h] bzw. die maximal anfallende Beladung n.fest: [t/m3] der Suspension mit Feststoffen für den definierten Korndurchmesserbereich / das Separationsintervall i ergibt sich aus:

Qfest. As, pb Qmax ^f QF

i

t.

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

[Gew.-%] [t/fm 3 ] [fm 3 /h] [t/m 3 ] [m 3 /h]

[-]

Die erforderliche Separationsleistung ist abhängig von: • • • •

der Sieblinie des abzubauenden Bodens der Förderleistung der Pumpeinrichtung Abbaumaterials (Aufgabemenge) dem Beladungsverhältnis der Suspension der Dichte des Bodens

47

zur

Abförderung

des

t—7 •

Separationsanlagen

Maximal anfallende Gewichtsprozente des Bodens im Separationsintervall i As, [Gew.-%]

As, =max{ASij}allerj

[Gew.-%]

AS; j = max s, j - m i n s^

[Gew.-%]

AS;

[Gew.-%]

As, j max S|j min Sjj 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)

100 90 80 70 Massen- 60 anteile 50 s 40 [Gew.-%] 30 20 10 0

z

[Gew.-%] [Gew.-%] [Gew.-%] [-] [-]

min s As ;i min s. = max s ;j

2 0.02 Korndurchmesper d [mm]

0.0011

i+2

I

ao

I I I -H

Separationsintervalle i Bild 2-6: Darstellung einer Sieblinie j zur Erklärung der verwendeten Begriffe

48

Separationsanlagen Beispiel zur Bestimmung der Gewichtsprozente Asy des Separationsintervalls i des anfallenden Bodens in den Sieblinien j und den maximal anfallenden Gewichtsprozenten Asi 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 Sjj bzw. min Sy der verschiedenen Separationsintervalle und Sieblinien ablesen; hier im Beispiei dargestellt für das Separationsintervall 2 der Sieblinie C, max s2?c und min s2,cDie Gewichtsprozente der Sieblinie j im Separationsintervall i ASIJ ergeben sich somit aus der Differenz des maximalen und des minimalen Massenanteils der Sieblinie j im Separationsintervall i. As, j - max Sj j - min s, f hier dargestellt für die Sieblinie C

Bereiche gleicher Sieblinien

Schichtgrenzen zwischen Böden gleicher Sieblinien Bild 2-7: Beispiel einer Tunnelröhre in verschiedenen Böden 49

Separationsanlagen 100 90 80 70 Massen- 60 anteile 50 s 40 [Gew.-%] 30 20 • 10 0 o.ooh

As.2,B

'c

ÄS,

max s.

As.'2,C min s.'2,C

|0.02 Komdurchmes^er d [mm]j

ao

3 Separationsintervalle i

Bild 2-8: Sieblinien der anfallenden Böden mit Bestimmung der Gewichtsprozente

= max s2,A - min s2,A = 98 - 30 = 68 Gew.-% = max S2,B - min s2|B = 8 3 - 5 0 = 33 Gew.-% As2,c = max s2,c - min s2jC = 5 7 - 3 8 = 19 Gew.-% AS2,A AS2,B

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), As2, während der gesamten Baumassnahme ergibt sich aus dem Maximum aller zuvor bestimmten As2J der anfallenden Böden der Sieblinien j : As 2

= max {As2A; As2,B; As2,c} = As2,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.

50

Separationsanlagen Die Separationsleistung der Separationsstufe 2 (Mitteltrennung I) muss somit wie folgt dimensioniert werden: [t/m3]

Q

Definition: Beladungsverhältnis |ifest [t/m3] Das Beladungsverhältnis der Förderflüssigkeiten entspricht der Masse des geförderten Feststoffs QF x pb [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-Komgrössen und die sich daraus ergebenden Separationsintervalle: Tabelle 2-16: Einteilung möglicher Separationsintervalle nach [24]

Klassifizierung Grobtrennung Mitteltrennung I Mitteltrennung II Feintrennung

Trennschnitt dT [mm]

Separationsintervalle

iH 1 2 3 4

>3

>0.1 >0.03 > 0.005

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 zul der Qfesti) mit den entsprechenden Leistungsangaben o M fest,i,Gerät

Hersteller:

Qfest,i< QfeJst,i,Gerät für alle i-Separationsstufen

51

Separationsanlagen Ferner muss für das Gesamtsystem gelten: zul < fest.i.Gerät —

maximaler Feststoffdurchsatz des Separationssystems, bestehend aus den Separationsleistungen der einzelnen Anlageelemente der Separationsstufen

Manche Hersteller geben auch die maximale Beladung (ifeUsUGerät [t/m3] der einzelnen Anlageelemente der Separationsstufen für die Dimensionierung an. Für alle Anlageelemente und somit Separationsintervalle muss gelten: i

Separationsintsrvalle IH

i-Separationsstufen

Klassiflzierung und Trennschnitte

Grobtrennung d T > 3mm

Q,., Mitteltrennung I 3mm > d T > 0.1mm

Mitteltrennung II 0.1mm > d T > 0.03mm

Zentrifuge

Feintrennung 0.03mm > d T > 0.005m

Legende:

.

beladene Suspension

.

. aufbereitete Suspension

II

Trenngut / Feststoff

Bild 2-9: Schematische Darstellung einer vierstufigen Separationsanlage

52

3

Erdbaugeräte Hydraulikbagger Radlader Kettenlader (Laderaupe) Planiergeräte: Rad- und Raupenplaniergeräte Scraper Grader Verdichtungsgeräte

Hydraulikbagger 3.1 Hydraulikbagger Nutzleistung QN [fm3/h] eines Hydraulikbaggers n uN -

vSAE ts " 3 6 0 ° - - K l -

*2

x

*3

x

rfm3/h1

'IG

H

k 2 = f^ X f2 X f3 X f4 X f5 "Hi

Xr

[-]

l2

QN VSAE ts a (p n^ T|2 f^

Nutzleistung Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Einfluss Grabentiefe bzw. A b b a u h ö h e

[fm 3 /h] [m 3 ] [s] [fm 3 /lm 3 ] [-] [-] [-] [-]

f2 f3 U f5 ^ k2 k3 r|G

Schwenkwinkeleinflussfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor SchneidenVZahnzustandsfaktor VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad

[-] [-] [-]

54

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 allerm 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 t s [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 90°, 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 t s = 20s

Bild 3-1: Spielzeit t s eines Hydraulikbaggers Liebherr R 942 Litronic mit Tieflöffel nach [5] unter optimalen technischen Bedingungen 55

Hydraulikbagger Systemgerechter Hydraulikbaggereinsatz Der systemgerechte Einsatz von Hydraulikbaggern setzt folgende Randbedingungen voraus: 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 Minimierung der Baggerfortbewegung (Standortwechsel) Rundfahrbetrieb der Transportfahrzeuge, kontinuierliches Baggern 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]

56

Hydraulikbagger Gerhige Schwcnk- und Hubbcwcgnng* bcin BeladendesSKW's

Bild 3-3: Ideale Tieflöffeleinsätze [6]

57

Hydraulikbagger

15

20

25

>

Spielzeit t„ [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]

58

Hydraulikbagger

1

Hochlöff el/ Klappscllaufel

3

/ /

/ /

/

/

/

4&5

/

05

n-

15

10

3 4 5 6

20

25

Spielzeit t s [s]

Leicht lösbare Bodenarten Mittelschwer lösbare Bodenarten Schwer lösbare Bodenarten Leicht lösbarer Fels und vergleichbare Bodenarten

Bild 3-5: Spielzeit t s [s] von Baggern mit Hochlöffel/Klappschaufel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 nach [25], [26]

59

Radlader 3.2 Radlader Nutzleistung QN [fm3/h] eines Radladers

.c o - v obAt wN

sx

9finn s^ k y k y k v n

F

ki = axcp k2 = f2 x f3 x f4 x f5

[

k3 = Tli l l 2

[

[

x

QN VsAE

ts a

f2 f3

u uki k2 k3

fm3/h]

Nutzleistung Nenninhalt des Ladegefässes gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor SchneidenVZahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad

60

3

[1m /h] [ n3] 3

3 3 [1m /lm ] [• [ [ [ [ [ [ [ [ ] [ •]

Radlader Spielzeit t s [s] ts = tso + tF + At

[S]

Die Spielzeit des Radladers [6], [7] kann unterteilt werden in: • tSo

Grundspielzeit: Beinhaltet Laden, Auskippen, vier Fahrtrichtungswechsel und die kleinstmögliche Fahrstrecke, die je nach Grösse des Radladers mit Knicklenkung zwischen 27 und 33 Sekunden angenommen werden kann (Bild 8-7).

• 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.

• At

Änderung der Spielzeit: Entsteht durch Abweichungen von den Normbedingungen der Grundspielzeit gemäss Tabelle 3-1.

61

Radlader Tabelle 3-1: Änderung der Spielzeit At [s] eines Radladers nach [7] Gerät

Ät [s] -3.0

mit Materialumschlagausrüstung Material

+ 1.2 + 1.2 -1.2 0.0 + 1.8 und mehr

gemischt < 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

62

0.0 und mehr + 0.6 und mehr + 1.2 und mehr

bis zu bis zu bis zu biszu bis zu biszu

- 2.4 +2.4 - 2.4 +2.4 +2.4 +3.0

Kettenlader (Laderaupe) 3.3 Kettenlader (Laderaupe) Nutzleistung QN [fm3/h] eines Kettenladers o

-

ki =

[fm3/h]

V

SAE v. o c o n ^

UN -

[-]

axcp

k2 = f2 x f3 x f4 x f5

[-]

k3 = r\

[-]

QN

VsAE

ts a

Tl2

f2 f3 f4 fs ki

k2 k3

xri2 Nutzleistung Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Spielzeit Lösefaktor Füllfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor SchneidenVZahnzustandsfaktor VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad

63

[fm3/h] [m3] [s] [fm3/lnr [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

Kettenlader (Laderaupe) Spielzeit t s [s] ts = t L + t M + t F + t E + At

[s]

Die Spielzeit des Kettenladers [6], [7] kann unterteilt werden in: • t|_

Ladezeit: Ist abhängig von der Art des Bodens.

• tM

Manövrierzeit: Umfasst die Basisfahrzeit mit vier Richtungsänderungen und die Wendezeit.

• tp

Fahrzeit: Beinhaltet die für die Fahrstrecke benötigte Zeit bei Hin- und Rückfahrt.

• tE

Entladezeit: Wird von der Grösse der Entladestelle bestimmt.

• At

Änderung der Spielzeit

Tabelle 3-2: Ladezeit t L [s] nach [7]

Material gleichmässige Gesteinsmischung feuchte, ungleichmässige Gesteinsmischung feuchter Lehm Erde, Steine, Wurzeln stark bindige Materialien zementgebundenes Material, gebrochener Fels

t L [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. 64

Kettenlader (Laderaupe) 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 At [s] nach [7] - Kettenlader Material

At [s] + 1.2 + 1.2 - 1.2 0.0 + 2.0 und mehr

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

65

0.0 + 0.6 + 1.2

bis zu - 2.5 bis zu +2.5 bis zu - 2.5 biszu+2.5 biszu+2.5 bis zu + 3.0

Planiergeräte

•kSL.

* W

3.4 Planiergeräte Rad- und Raupenplaniergeräte, Scraper, Grader Berechnungsalternative A Nutzleistung (Dauerleistung) QPN [Im3/h] für Rad- und Raupenplaniergeräte, bezogen auf die Verteilung von losem Schüttmaterial:

QPN V P100 tu q> k2(w) k3 r|G b h

[Im 3 /h] [Im 3 ] [min] [-] [-] [-] [-] [m] [m]

Nutzleistung Schildschubkapazität Umlaufzeit Füllungsgrad des Schildes Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad Breite des Schildes Höhe des Schildes

Leistungseinflussfaktor k 2 (w) [-] k? (w) = k2

5

=f1R XT2P

X f w (w)

= i 1P xf 2P xf 3 (ß)xf 4 xf 5 xf w (w)

xf 3 (ß)xf 4

Xf

5

M LJ

k2 (w) = k 2 x fw(w) f-iP f2p f 3 (ß) U f5 f w (w)

H

Schubbahnenfaktor (Schiebefaktor) Schiidarteinflussfaktor (Schildeinrichtung) Steigungsfaktor SchneidenVZahnzustandsfaktor VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor entfernungsabhängiger Leistungsfaktor

66

[-] [-] [-] [-] [-] [-]

Planiergeräte Betriebsbeiwert k3 [-] kg^nrii-0.7

[-]

i=i

r)i r\2

Bedienungsfaktor 0.75 - 1 . 0 0 Betriebsbedingungen

[-] [-]

Grundschubleistung Qo [Im3/h] 0

l

[Im3/h]

W

t

u

Nutz- bzw. Dauerleistung QPN [Im3/h] Ä

QPN

, VPinn ( w ) = — ^ 3 - x 6 0 x 9 x k, (w) x k, x ri „ = Q. (w) x k,x k. xr| Q

[Im3/h]

Nutzleistung (Dauerleistung) QPN [fm3/h], bezogeii auf die Verteilung von losem Schüttmaterial (umgerechnet auf cjelöstes Festmaterial): V

a

3

PI

xriG

Lösefaktor des zu lösenden Materials

[fm 3 /h]

H

Umlaufzeit tu [min] [min] t|H

tH tR IH vH IR vR

=

VH

i

[min]

tR = VR

Hinfahrzeit unter Last, Verteilen des von den LKW abgeladenen Materials Rückfahrzeit SchubVFahrentfernung SchubVFahrgeschwindigkeit Strecke der Rückfahrt Fahrgeschwindigkeit auf der Rückfahrt 67

[min] [min] [m] [m/min] [m] [m/min]

Planiergeräte

•kEL.

^ W

Grundschubleistung Q 0 (w) [Im3/h] Die Handbücher von Liebherr [6] und Caterpillar [7] enthalten Diagramme der maximalen Schubleistung (Einheit: Kubikmeter lose pro Stunde). Sie basieren auf folgenden Normbedingungen: • 100 % Nutzung des Geräts • keine Steigung • Die Planierraupe schneidet 15 m weit an und schiebt die Schildfüllung zur Entleerung über eine steil abfallende Wand • spezifisches Schüttgewicht 1400 kg/lm3 • Zugkraftkoeffizient 0.5 und grösser • 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 Brustschild.

68

Pl aiVnsrg<

Ik

Im3/11 Fö rderaneng B

>43kW

\ \ \ \ \ 72 kW

\ \

\

c 7 kW 77

kW

*\ " , \ •^.-—~ ——

s.

s\ \

\,

'" •'

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

" -

•

m. in

100 110 120 130 140 150 m Förderstrecke

Bild 3-6: Schubleistung Q0(w) [Im3/h] von Planierraupen [6]

Bild 3-6 zeigt die Grundschubleistung Q0(w) von Planierraupen mit Brustschild in Abhängigkeit von der Förderstrecke w [m] ohne die Anschnittstrecke (ca. 15 m).

69

Planiergeräte Tabelle 3-4: Faktoren im Erdbau nach [6] Füllfaktor

loses Haufwerk schwer zu lösen, gefroren mit Kippzylinder ohne Kippzylinder schwer zu schieben (trocken, nicht bindig) sehr bindiges Material Fels, gerissen oder gesprengt

q>[-] 1.2 0.8 0.7

0.6-0.8 0.6-0.8 0.6-0.8

Bedienungsfaktor geübt durchschnittlich mässig

TliH 1.0 0.80 0.65

Betriebsbedingungen Staub, Regen, Schnee, Nebel oder Dunkelheit

TI2H

Schubbahnfaktor in Bahnen

fip H 1.2

Schildarteinflussfaktor U-Schild Brustschild Schwenkschild

f2P [-]

Steigungsfaktor siehe nachfolgendes Diagramm

f3(ß) [-]

0.8

1.2 1.0 0.5-0.75

0,40

-20

-10

Gefälle

+10 +2C Steigung

Bild 3-7: Steigungsfaktor f3(ß) [6]

70

Planiergeräte

•kfii.

*¥W

Erforderliche Anzahl von Planierraupen npi a n i e r r a u p e r [-] ^ ^TNerf-AT ''Planierraupen ~~ p.

[-]

Transportfahrzeugleistung pro Arbeitstag [Im3/h]

Gesamtleistung der eingesetzten Planierraupen

[IrrrVh]

~ nPlanierraupen X ^ P N ~ ^ T N e r f - A T

Achtung: Die Gesamtleistung entweder auf festes oder auf loses Material beziehen. F ahrge schwt

Ns 0

idigke t in <m/h N

\

N

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1

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T

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entfernung

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v° 5 t

30

3 50

3 00

2 50

2

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1 ä0

1 0

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50

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Sp elz eit

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1

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y,V, i

ffekti ve Le stung in nn 3 /h

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1/ 111

S h Id

u l u ng

ir

7,3

Bild 3-8: Leistungsdiagramm Qo (w; v; P; VPi00) [Im3/h] für Schubraupen im Entfernungsbereich bis 50 m [27]

71

„

Planiergeräte Rippereinsatz von Planierraupen mit Heckaufreisser Nutzleistung QN [fm3/h] von Planierraupen mit Heckaufreisser QN

[fm3/h]

= Q 0 xk 2 xk 3 xriQ

[-]

Nutizleistung QN [Im3/h] von Planierraupen mit Heclraufreisser QN

QN

GN Qo a fi f2, f3

u uk

2

k3 ni r|2 r|G V

b d bP dp v— fT

[Im3/h]

= Q0x-xk2xk3xr|G 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

[-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [m/h] [m] [m] [m] [m] fm/hl |_i 11/ i IJ

bP xd P bpxdp

i

[fm3/h] [Im3/h] [fm3/h] [fm3/lm3] [-]

f-i

L J

bxd 72

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: • • • •

stark geologisch vorfraktionierte Gesteine bankige Kalke Sandstein, Mergel, kalkige Mergel Schiefer

Seismische Wellengeschwindigkeit MeterproSekundexiOOO

0

3.5

0.5

Obere Bodenschicht Lehm, Ton Gletschermoräne Vulkanisches Gestein Granit Trappfels Sedimentgestein Schiefer Sandstein Schluffmergel Konglomerat Breccie Kalkstein Metamorphes Gestein Tonschiefer Tafelschiefer Wneralien und Erze Kohle Eisenerze bedingt reissbar

Bild 3-9: Klassifizierung der Reissbarkeit des Gesteins nach seismischer Geschwindigkeit [6]

73

Planiergeräte

•kSL.

*¥W

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: • Die Eindringtiefe des Reisszahns ist der Schlüssel zum Reisserfolg. • Niedrige seismische Geschwindigkeiten deuten auf gute Reissbarkeit hin. • 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: • Einzahnaufreisser • 100 % Effektivität (60 min Reissen) • seismische Geschwindigkeit ca. 1500 m/s, zwischen 1500 und 1800 m/s um 25 % abmindern • ideal > stark geschiefertes Material • erschwert > bankig

ideal

1250 1000

1

—1 erschwert^

Himk.

0 1000

1500

2000

Seismische Wellengeschwindigkeit

Bild 3-10: Grundreissleistung Qo [fm3/h] einer Raupe mit 240 kW Leistung [6]

74

Planiergeräte Scraper (Flachbagger) Nutz-/Dauerleistung QSN [fm3/h] [fm3/h] QSN V S AE

ty k, TIG

NutzVDauerleistung Fördergefässinhalt gemaess SAE Umlaufzeit Einflussfaktoren Geräteausnutzungsgrad

[fm3/h] [m3] [min] [-] [-]

Ladefaktor k^ [-] I = OC X q>

a
[-]

[fm3/lm3] [-]

Lösefaktor Füllfaktor

Leistungseinflussfaktor k2 [-] [-] f-i f2 f3 U f5

Schürftiefeneinfluss nicht massgebend nicht massgebend Schneiden-/Zahnzustandsfaktor VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor

Betriebsbeiwert k3 [-]

nni rj! r|2

Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen

75

Planiergeräte

JkEL.

Ladestrecke 30 - 7 0 m

4 W

Entleeren Fahrstrecke I [krrV

Bild 3-11: Fahrstrecke [3]

Umlaufzeit tu [min] tu=tL+tE tl

U

tl +4-l t L

E

tu tL tE tyv tH.voll» tR.leer

li v

voll,i

v

leer,i

4-t

_i_Pvt

1 Ovj

w

| X"1

[min]

+ t

i

| XT1

i

^1000xv V O I I J " ^ 1 0 0 0 x v l e e r i l

Umlaufzeit Beladezeit Entleerungszeit Wendezeit Hinfahr-/Rückfahrzeit Fahrstrecke i Fahrgeschwindigkeit unter Last (voll) Fahrgeschwindigkeit leer

76

fminl L'' 'J

[min] [min] [min] [min] [min] [m] [km/h] [km/h]

Planiergeräte Berechnungsalternative B Nutz- bzw. Dauerleistung von Scrapern Q S N [fm3/h] und Rad- und Raupenplaniergeräten QPiN [fm3/h]: O

—V

vm v

Rad- u. Raupenplaniergeräte:

QpiN^Vp.oXCppXQ

mit:

v

) 3 x 'IG

m

_,XT,Q

Vs 0 Vs 0 VP0

[fm3/h]

2

s , o = v s , o x « ; VP,O = 0 .8xbxh x a

QSN NutzVDauerleistung Scraper QpiN Nutz-/Dauerleistung Rad- u. Raupenplaniergeräte Q 1 0 (w) Scraper-Einheitsgrundförderleistung (10m 3 -Gefäss) in Abhängigkeit von der Förderweite w

Q^w)

Ffm3/hl

[fm 3 /h] [fm 3 /h] [fm/h]

RadVPIaniergerät-Einheitsgrundförderleistung [fm3/h] 3 (1 m -Gefäss) in Abhängigkeit von der Förderweite w Scraper-Fördergefässinhalt, gestrichen voll [im3] Nenninhalt der Scrapermulde gemäss SAE [Im3] Planierschildinhalt [fm3]

k s ; kp.j Betriebsbeiwert k3 k2 Leistungseinflussfaktor a Lösefaktor (p, Gerätefüllungsgrad s Scraper p Planiergerät i Rad- bzw. Raupenplaniergerät T|G Geräteausnutzungsgrad

77

[-] [-] [fntVlm 3 ] [-] [-] [-] [-] [-]

Planiergeräte Die Leistungslinien im nachstehenden Förderleistungsdiagramm sind aus Praxiserfahrungen mit folgenden Annahmen (für ideale Fördergefässinhalte von V s o =10 fm 3 gestrichen voll bzw. V P0 =1 fm3) zusammengestellt: • Auflockerungsgrad 8A = 1 bzw. Lösefaktor a = 1 • Gesamtabminderungsfaktor k = 1 • Gerätefüllungsgrad (p = 1 Leistungseinflussfaktor k2 [-] k2 = f 4 x f 5

[-3

f4 f5

[-] [-]

SchneidenVZahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor

Betriebsbeiwert k3 [-] 2

k3 =Y1T]

=r

\i

x r

l2

=

^s bzw. kp_i

[-]

i = [ i | i = Radgerät, i = Raupengerät ] Td rj 2

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

78

cps cpP

= 0.7-1.1 = 0.5-0.9

Planiergeräte Förderleistungsdiagramm für Scraper, Rad- und Raupenplaniergeräte -- E

100 90 80 70 60 50 40 30 20

Einheitsgrundförderleistung Q, bzw. Q [fm3/h]

10

130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Bild 3-12: Förderleistungsdiagramm für Scraper, Rad- und Raupenplaniergeräte [3] 79

Planiergeräte 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

80

Arbeitsleistung Q N [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 [fm3/h] eines Verdichtungsgeräts V x b

Q K-i

=

xd

.

.

vk yk A l\< Al\n

.

yk Al\q

rf m3/h]

/\ vn|fi

L'

\

t-!

k 2 =f 5 LI\g

["

— y\ V T — ' H ^* ' 2

Nutzleistung Geschwindigkeit des Geräts b wirksame Breite d Schütthöhe, verdichtet n Zahl der Übergänge nicht massgebend ki Leistungseinflussfaktor k2 Betriebsbeiwert k3 Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen ria f i ! f2! f3l f4 nicht massgebend VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor f5 Geräteausnutzungsgrad QN V

3 [ fm /h] [ m/h] [ m] [ m] [ [ •]

Die Höhe des verdichteten Bodens d [m] ergibt sich aus folge nder Beziehung [ m]

d = 9x5v Schütthöhe, unverdichtet Verdichtungsfaktor < 1

[m] [fm3/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 Komrauhigkeit den grössten Einfluss auf die Verdichtbarkeit. Die Verdichtung gemischtkörniger Böden mit höherem Feinanteil hängt in erster Linie vom Wassergehalt und dem Sättigungsgrad ab [28]. 81

In Tabelie 3-7 sind Anhaltswerte für den Verdichtungsfaktor 8V 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 5V nach [29] Boden- und Felsklasse nach DIN 18300

Boden

Verdichtungsfaktor Sv [fm3/lm3]

Verdichtungsfaktor 5, [fm3/lm3] Bandbreite

Mittelwert

Oberboden Fliessende Böden

4/5

Leicht lösbare Böden

Kies Kiessand

0.82 0.73

Mittelschwer lösbare Böden

Ton Lehm / Sand

0.77 0.72

Leicht lösbarer Fels und Ton-, Mergelstein vergleichbare Bodenarten

0.85

Kalk-, Sandstein / Granit

0.83

Schwer lösbarer Fels

Die Eignung der Verdichtungsgeräte ist je nach Baustellenart und -bedingungen sehr verschieden. Die nachstehenden Tabellen geben einen Überblick [28].

82

Bauwerkshinterfüllung

Leitungsgräben

Einschnitt

Damm und

B
E

E

+ ++

++

Arbeits fläche Geräteart

statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze

selbstfahre nd gezogen

Gürtelradwalze Gitterradwalze dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze Doppelvibralionswalze

leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer

< 5 Mp > 8 Mp < 2.5 Mp > 2.5 Mp < 5 Mp > 5 Mp

eng

frei

E

E

+ + ++ ++ ++ +

+ ++ ++ ++ ++ ++

++ ++ + +

+ +

Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht < 2.5 Mp schwer > 2.5 Mp

++ ++ ++ ++ + ++ ++

Legende:

E

Vibrationstandemwalze

++ ++ ++ + ++ + ++ ++ + ++

+ +

++ +

Eignung empfohle I meist gee ignet

Bild 3-13: Einsatzmöglichkeit von Verdichtungsgeräten nach [28]

83

++

Verdichtungsgeräte • Geschwindigkeit v [m/h] Arbeitsgeschwindigkeit nach Herstellerangaben, im Allgemeinen beträgt sie zwischen 2000 und 6000 m/h [7]. • 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. • Schütthöhe d [m] siehe nachstehende Tabellen [28] • Zahl der Übergänge n [-] siehe nachstehende Tabellen [28]

84

Lockergestein grobkörnig, nicht bindig Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze

u

selbstfahrend gezogen

Gürtelradwalze Gitterradwalze

dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze

leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer

<5

Mp

>8

Mp

<5 >5

Mp Mp

<2.5 Mp >2.5 Mp

Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht <2.5 Mp schwer >2.5 Mp Legende:

E H Ü

u

+

10 - 2 0

4- 8

++ ++

20 - 3 0 30 - 5 0

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

++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

++ ++

Eignung Schütthöhe [cm] Anz. Übergänge [n]

empfohlen meist geeignet

Bild 3-14: Eignung von Verdichtungsmitteln in grobkörnigem, nicht bindigem Lockergestein nach [28]

85

Lockergestein feinkörnig (bindig), bindige Sande Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze

sebslfahrend gezogen

Gürtelradwalze Gitterradwalze dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze

Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze

leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer

<5

Mp

>8 <2.5 >2.5 <5 >5

Mp Mp Mp Mp Mp

Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten <2.5 Mp leicht schwer >2.5 Mp

Legende:

E H Ü

u

E

H

+ ++ ++ ++ ++ +

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

3355-

++

20-40

6-10

Eignung Schütthöhe [cm] Anz. Übergänge [n]

4 4 8 8

empfohlen meist geeignet

Bild 3-15: Eignung von Verdichtungsmitteln in feinkömigem, bindigem Lockergestein nach [28]

86

Lockergestein gemischtkörnig (bindig, schwach steinig) Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze

Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze

selbstfahrend qezogen

u

+

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 3233355-

20-40 20-40 10-20 20-40

o 8 6 - 10 5- 8 4- 6

+

++ ++ ++

++ leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer

<5 Mp >8 Mp <2.5Mp >2.5 Mp <5 Mp >5 Mp

Vibrationsschaffusswalze Rüttelplatten leicht <2.5Mp schwer >2.5Mp Legende:

H

+

Gürtelradwalze Gitterradwalze

dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze

E

E H Ü

+ + +

++ ++ +

++ +

++ +

+

Eignung Schütthöhe [cm] Anz. Übergänge [n]

•+• + 4

5 4 5 5 5 8 8

empfohlen meist geeignet

Bild 3-16: Eignung von Verdichtungsmitteln in gemischtkörnigem, bindigem Lockergestein nach [28]

87

Verdichtungsgeräte

Fels Steine und Blöcke bis 400 mm, nicht bindig Geräteart statisch Glattmantelwalze Schaffusswalze Gummiradwalze

selbstfahrend qezogen

Gürtelradwalze Gitterradwalze dynamisch Fallplatte Explosionsstampfer Schnellschlagstampfer Anhängevibrationswalze

+

20-

30

8 -12

+

30-

40

8 -12

++

5030-

80 50

4 3-

5

4 0 - 60 50-100

44-

6 6

30-

5-

8

+

leicht mittel schwer leicht schwer leicht schwer

<5

Mp

+

> 8 Mp <2.5Mp >2.5Mp <5 Mp > 5 Mp

++

Vibrationsschaffusswalze <2.5Mp Rüttelplatten leicht schwer >2.5Mp

++

Doppelvibrationswalze Vibrationstandemwalze

Legende:

U

H

E H Ü

+

+

Eignung Schütthöhe [cm] Anz. Übergänge [n]

50

3 0 - 50

6-10

30-

4-

50

++ +

6

empfohlen meist geeignet

Bild 3-17: Eignung von Verdichtungsmitteln in nicht bindigem Fels nach [28]

88

4 Transportgeräte Lastkraftwagen, Schwerlastkraftwagen, Dumper Gleisförderung Bandförderung Flüssigkeitsförderung Schneckenförderung

LKW, SKW, Dumper 4.1 LKW, SKW, Dumper Nutzleistung QN [fm3/h] eines Einzelfahrzeugs V F SAE

k

i

[fm3/h]

K 3 xr\G

= ocxcp

k2

[-]

=

N

^ x ^ QN VFSAE

tu a

fi;f 2 f3

U U ki

k2 k3

Nutzleistung des Einzelfahrzeugs Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE VFSAE.I 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 VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad

90

[fm3/h] [m3] [min] [fm3/lm3] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

LKW, SKW, Dumper Muldeninhalt des Fahrzeugs

V FS AE

[m3]

Das maximal mögliche bzw. zulässige Ladevolumen darf die zulässige Nutzlast nicht überschreiten: VFSAExcp<^L Ps VFSAE

[m 3]

Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Füllfaktor Schüttdichte zulässige Nutzlast

[m3] [-] [t/m3] [t]

Umlaufzeit iu [min] Die Umlaufzeit eines Transportgeräts setzt sich zusammen aus der Beladezeit tL, der Fahrzeit voll tFv, der Entladezeit tE, der Fahrzeit leer t H und der Wartezeit t w beim Füllen bzw. der Wagenwechselzeit t w z am Ladegerät [5], [14]. tL+tFV+tE+tFI+tw+twz tu tL tFv

tE tn tw twz

[min]

Umlaufzeit des Fahrzeugs Beladezeit Fahrzeit voll Entladezeit Fahrzeit leer Wartezeiten beim Be- und Entladen Wagenwechselzeit

91

[min] [min] [min] [min] [min] [min] [min]

LKW, SKW, Dumper Beladezeit tL [min] Zur Bestimmung der Beladezeit tL [min] gilt allgemein: t

=^ESAE_ X JS.

tL VFSAE VSAE

ts

VSAE

[min]

60

Beladezeit Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Spielzeit des Ladegeräts

[min] [m3] [m3] [s]

In dieser Formel zur Berechnung der 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 Beladezeit eine Spielzeit weniger einzusetzen (twz = ts)VFSAE

vSAE m

)X

ts 60-(m

ts 60

Anzahl Schaufelfüliungen pro Fahrzeug

[-]

Fahrzeit voll t Fv /Fahrzeit leer t R [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.

92

LKW, SKW, Dumper Die Strecke vom Belade- zum Entladeort muss in Teilstrecken mit verschiedenen Fahrbedingungen unterteilt werden. „ 60xl i v 60xl n . { t =tFv+tFI=y ^— +Y ^— min F Fv Fl ^ - | 0 0 0 X V i v ^1000XVM tF Fahrzeit [min] tFv Fahrzeit voll [min] tH Fahrzeit leer [min] lj,v Teilstrecke i bei vollem Transportfahrzeug [m] lii Teilstrecke i bei leerem Transportfahrzeug [m] v, v Durchschnittsgeschwindigkeit des vollen Transport[km/h] fahrzeugs auf der Teilstrecke i V, i Durchschnittsgeschwindigkeit des leeren Transport- [km/h] fahrzeugs auf der Teilstrecke i Lastkraftwagen LKW Bei den Lastkraftwagen können folgende Durchschnittsgeschwindigkeiten V| angenommen werden: Tabelle 4-1: Durchschnittsgeschwindigkeiten Vj [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.

93

LKW, SKW, Dumper 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 8-12) 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 v, [km/h] des leeren/vollen SKW [km/h]

Vi=viimaxxkG

kG

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 Ij [m] 0 - 100 1 0 0 - 250 2 5 0 - 500 5 0 0 - 800 800-1200 1200 und mehr

Geschwindigkeit skorrekturfaktor 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

94

fliegender Start 0.50 0.60 - 0.75 0.70 - 0.80 0.75 - 0.80 0.80-0.85 0.80 - 0.90

LKW, SKW, Dumper 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. Wagenfolgezeit tf [min] Die Wagenfolgezeit ist die Verweilzeit des Fahrzeugs am Beladeort. Sie beinhaltet die Beladezeit und die Wagenwechselzeit (zeitlicher Abstand der Transportfahrzeuge am Ladegerät). tf = t L + t w z = ( m - 1 ) x ^ + t w z

[min]

tf tL

Wagenfolgezeit Beladezeit

[min] [min]

tWz m ts

Wagenwechselzeit Anzahl Schaufelfüllungen pro Fahrzeug Spielzeit des Ladegeräts

[min] [-] [s]

95

LKW, SKW, Dumper Transportketten im Erdbau Fall 1: t wz < ts, Kreisverkehr +

t

/^FSAE

vSAE

_mxts ' 60

1X

v

® — ^m

1^v

60

Fminl

®

60

ts + l 60 wz

Fminl

Fminl

Daraus folgt: t

' tL VFSAE VSAE

ts m tf At

mxt s 60

Fminl

Beladezeit Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Spielzeit des Ladegeräts Anzahl Schaufelfüllungen pro Fahrzeug Wagenfolgezeit Wagenwechselzeit Differenz aus Wagenwechselzeit tWz und Spielzeit t s At = t w z - ts/60

[min] [m3] [m3] [s] [-3 [min] [min] [min]

Kippe

Ladegerät Fahrzeug / •

\

I

Bild 4-1: Theoretischer Idealfall einer Transportkette - Kreisverkehr [5]

96

LKW, SKW, Dumper Ladegerät

Kippe

Warte schlange

Fahrzeuge \ l„

Bild 4-2: Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange - Kreisverkehr [5] Fall 2: twz > ts, Rückstossverkehr (m-1)xt s 60

L

mxts-ts 60

fminl

=60+twz

[min]

t

* A t

Daraus folgt t '

m x t s

60

Fminl

i At

At = 0 . 5 - 1 min Ladegerät

Kippe

Fahrzeuge I.

Bild 4-3: Theoretischer Idealfall einer Transportkette - Rückstossverkehr

97

LKW, SKW, Dumper Ladegerät

Kippe

warteschlange

Fahrzeuge

Bild 4-4: Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange - Rückstossverkehr

Zusamr nengefasst gilt (alle Zeiten vereinheitlicht, z.B . aut Minuten): mxts

tt , ht

^ ts

' 6 0

{ t

v t

. mxts

t

60

C

1 60

J

Damit eine optimale Abstimmung und Auslastung zwischen Lade- und Transportfahrzeug erreicht wird, sollte die Fahrzeugwechselzeit t w z ^ ts/60 sein. Die Wartezeit t w sollte möglichst gegen null gehen, ist aber praktisch nicht vermeidbar. Die Wartezeit geht in die Umlaufzeit der einzelnen Fahrzeuge ein. Umlaufzeit t y [min] t

l

u

— tl

L

+4- lt

W

+4-l

vr

60

t 4WZ + 1000

/ „

' vollj

v, v

E

leer] J

Wird im Idealfall t w = 0, so gilt: 4-

l

U

tu tf Vji

l| tE

t

'

i

60

y

^f >

1000 "?{

'i

i

I. Vtaer,

V, E

J

Umlaufzeit des Fahrzeugs Wagenfolgezeit Geschwindigkeit mit j = { j j = voll; j = leer} im Streckenabschnitt i Streckenabschnitt i Entladezeit

98

[min] [min] [km/h] [m] [min]

LKW, SKW, Dumper Anzahl der erforderlichen Transportfahrzeuge n [-] pro Ladegerät

Anzahl der erforderlichen Transportfahrzeuge v Leistung [m3/h]

/

/LKW

600-

/

A

^ 400-

^

—

Ladegerät - LKW /

300-

^

200100-

1

2

3

4

\

Praktische Leistung i aufgrund von schlecht abgestimmten i i Umlaufzeiten i i i i 5

6

7

8

9

10

Anzah! n derLKW

Bild 4-5: Leistung beim Ladegerät — LKW-System [30]

Somit ergibt sich für den laufenden Betrieb die Anzahl der Transportgeräte pro Ladegerät n [-] „ _ *U _ XL + lFv + lE + Vl + lWZ + lW

n tu tf

tL tFv

tE tFI

twz tw

r-i

LJ

Anzahl Fahrzeuge pro Ladegerät Umlaufzeit des Fahrzeugs Wagenfolgezeit Ladezeit Fahrzeit voll Entladezeit Fahrzeit leer Wagenwechselzeit Wartezeiten beim Be- und Entladen

99

[min] [min] [min] [min] [min] [min] [min] [min]

LKW, SKW, Dumper Gesamtnutzleistung QjNeff [fm3/h] der Transportkette Transportfahrzeugleistung bei n eingesetzten Transportfahrzeugen pro Ladegerät: TNeff

VFSAE.60.A,

tf "

"Ir

XT

Ffm 3 /hl

/rij

lG

mit:

r

_mxt s *

60 ~*

w z «^

tös

60

.

\ ' tf

mxt s 60

i At

. _s t => 'wz -

tsl 60 J

nl M J

Anzahl der Fahrten aller Transportfahrzeuge iFahrten [•] n

"Fahrten "

V V F S A E xax(p

M LJ

i>ahrten Anzahl der Fahrten aller Transportfahrzeuge V Gesamtaushubvolumen VFSAE Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE a Lösefaktor cp Füllfaktor

100

[-] [fm3] [m3] [fm3/lm3] [-]

LKW, SKW, Dumper Gesamtladezeit T [h] aller Fahrzeuge an einem Ladege rät j

xn

_ tf

Fahrten

[h]

60 x n L G T tf nFahrten nLG

Gesamtladezeit aller Fahrzeuge an einem Ladegerät [h] Wagenfolgezeit [min] Anzahl aller Transportfahrten [-] Anzahl der eingesetzten Ladegeräte, z.B. Bagger [-]

Fall 1-

-r

Fall 0-

x

m ts tw At

n

Fahrten

.

fmxts

.

I mxtc

60 x n L G n

Fahrten

60 x n L G

l 60

{ 60

^5

. ^

W

rhi

J

lAtltw

i At i t

L"J

i

J

Anzahl Schaufelfüllungen pro Fahrzeug [-] Spielzeit des Ladegeräts [s] Wartezeiten beim Be- und Entladen [min] Differenz aus Wagenwechselzeit t W 2 und Spielzeit t s [min] At = t W z - t s /60

Gesamtladezeit T z u m Aushub der Gesamtlademenge V [fm 3 ] mit n L G Löse- und Ladegeräten T

=

nLG V

n'LG I R xQ ^ ^LGNeff Anzahl der eingesetzten Ladegeräte, z.B. Bagger Gesamtlademenge Effektive Nutzleistung (Dauerleistung) des Löse- und Ladegeräts (z.B. Bagger) = Leitgerät

101

[-] [fm3] [fm3/h]

LKW, SKW, Dumper Die Prozesskettenleistung von Ladegerät-LKW-Planierraupen-Betrieb: QNProz =

'CWroz IQlMProz - Q|_GNeff '
[fm3/h]

roz=Z Q PN,i X a2 : Q N x n x n L G QlMProz

= Nutzleistung der Prozesskett e

QNerf < Q NProz

= Q LGNeff X n L G ^

Leitgerät

= Bagger = Qmin =

Transpor tgerät

= QN

Planierg«3rät

=

QLGNeff

< n xQN

QN n nLG

Q N x n x nLG 5" V ^

v rv

Q LGNeff

QPN

Effektive Nutzleistung (Dauerleistung) des Löse- und Ladegeräts Nutzleistung eines Transportgeräts Anzahl der LKWs pro Ladegerät Anzahl der Ladegeräte

[fm 3 /h] [fm 3 /h]

Planierraupen-Gesamtleistung ]TQ P N i [Im3/h] zur Einebnung des Mai

terials auf Einbaustrecke oder Kippe: [IrrrVh]

— x n x n LG OC

Q PN i QN

a

Nutzleistung einer Planierraupe Anzahl der Planierraupen Nutzleistung eines Transportgeräts Lösefaktor

Anzahl der Planierraupen npianierraupen [-] n

>

"Planierraupen -

Q N

„ „ o

-xnxn LG

Anzahl der Planierraupen 102

[Im3/h] [ ]

" , [fm3/h] [fm3/lm3

LKW, SKW, Dumper Überschlägige Ermittlung der Antriebsleistung der Transportgeräte Fahrbedingung für motorgetriebene Transportfahrzeuge Übertragbare Zugkraft ZR [kN] [3] ZR

ZR (i GR

< ^IXGR

[kN]

übertragbare Zugkraft Bodenkraftschlussbeiwert Reibungsgewichtkraft auf Antriebsachse

[kN] [-] [kN]

G R = 9 . 8 1 X rTlL+EG Antriebsachse

mL+EG Antriebsachse

Last (L) und Eigenmasse (EG) auf der Antriebsachse

[t]

Motorzugkraft ZM [kN] [3] ZM = P M / c = P M x 3 . 6 / v ZM

PM v c

[kN]

Motorzugkraft

[kN]

Leistung des Motors Geschwindigkeit Geschwindigkeit

[kW] [km/h] [m/s]

Umrechnungsfaktoren: 1 kW = 100kpm/s 1 kp = 1/100 kN km/h = 1/3.6 m/s Hakenzugkraft ZH [kN] [3] ZH = Z M x r i g e s

[kN]

Z H « P M X 3 . 6 / V X T)ges

[kN]

ZH

[kN]

Hakenzugkraft bzw. effektive Zugkraft zwischen Rad und Fahrbahn mechanischer Nutzungsgrad = 0.85 103

[-]

LKW, SKW, Dumper Fahrwiderstände W, [kN] [3] Gesamtwiderstand W [kN] W W WR Ws

= WR + W s

[kN]

Gesamtwiderstand (äusserer) Bahrv/Reibungswiderstand Steigungswiderstand

[kN] [kN] [kN]

Bahnwiderstand WR [kN] WR = wr x mT x g

[kN]

wr mT g

[-] M [m/s2]

Rollwiderstandsbeiwert Gesamtmasse des Fahrzeugs (m = mL +[TIEG) Erdbeschleunigung: 9.81

Steigungswiderstand W s [kN] Ws ws

= ws x m T x g

[kN]

% Steigung für 1.0 % Steigung: W s ~ 0.01 x m x g

[-] [kN]

(Schürfwiderstände bei Schürffahrzeugen sind gesondert zu berücksichtigen.) Berechnung der Anzugskraft Die Anzugskraft des Transportgeräts muss schwindigkeit null auf die Geschwindigkeit v schleunigen. Die Anzugskraft muss zu den werden, damit das Transportfahrzeug auch kann.

104

das Fahrzeug von der Geinnerhalb der Strecke s beWiderstandskräften addiert auf der Steigung anfahren

LKW, SKW, Dumper

m

End- bzw. Streckengeschwindigkeit v [m/s]

v = axt

[m/s]

v = ^2 x a x |a

Erforderliche Beschleunigung a [m/s2] a=

v2 2x| a

[m/s2]

Anzugskraft zur Beschleunigung des Transportfahrzeijgs Z A [kN]

Z A >(m L +m E G )xa

[kN] 2

v ZA>(mL+mEG)x—ZA mL mEG v la a t

[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/s 2 ] [s]

Erforderliche Zugkraft Z erf [kN]

zerf = w + z A

[kN]

Fahrbedingungen Z R > Z H > Z ert

[kN]

Z H = Z M x ri g e s > Z e r f = W + Z A

[kN]

Fahrzeugwahl (P M ; m^ G A n t r i e b s a c h s e ;m E K G w ;mt K W )

105

LKW, SKW, Dumper Daraus lässt sich folgern: Erforderliche Motorleistung PM [kW] PM,

[kW]

erf = (W + Z A ) X V /

mit v in [m/s], ferner gilt 1 m/s = 3.6 km/h

Erforderliche Gewichtskraft GR [kN] auf die Antriebsachse (einschliesslich Ladung) [kN]

G R > Z erf

Technisch mögliche/tatsächlich erreichbare Geschwindigkeit v [km/h] Vmögl = PM X Tjges X 3.6 / (G X (wr + Ws))

[km/h]

Vtat

[km/h]

= Ki X V m ö g |

Geschwindigkeitsbeiwert [6], [7]

Fahrbedingungsbeiwerte Tabelle 4-3: Bodenkraftschlussbeiwert \i [3] Bodenkraftschlussbeiwert 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

106

Luftreifen 0.90 0.80 0.70 0.50 0.40 0.30

LKW, SKW, Dumper Tabelle 4-4: Geschwindigkeitsbeiwert KI [-] [3] Länge der einfachen Fahrstrecke I [m] 150 300 600 900 1200 >1200

Geschwindigkeitsbeiwert ^ [-] 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

107

Rollwiderstandsbeiwert wr [-] Luftreifen 0.020 0.075 0.050 0.100 0.100

Gleisförderung 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

IB

liv IE

lll

[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 [m3] Motorleistung der Lok [PS] Fahrgeschwindigkeit [km/h]

Normalspur 1435 mm

0.75 - 2.00 2.00-5.00 15-100 90 - 250 100-2000 40-90 0-30 0-20 0-60 108

Gleisförderung Wagengrösse [14] Massgebend dafür ist im Wesentlichen der Beladevorgang: - chargenweises Laden mit Löffel oder Schaufel . .. Ladegefässvolumen VcAE 1 .. 1 - optimal ware = —2=s_ = — t>|S _ Wageninhalt VW1OO 4 6 - kontinuierliches Beladen des ganzen Zugs, wobei auf verdeckte Wagenübergänge und langsames Nachrücken des Zugs zu achten ist Wagenzahl des Zugs Ausgangslage

- gewünschte Nutzförderleistung QN [fm3/h] - Volumen eines Hubs der TBM VHUb [fm3]

Ermittlung der Nutzladung eines Wagens V w [fm3] v

[fm3

w =Vw100xax(p

Vw Vwioo oc 9

[fm3] [m3] [fm3/lm3] [-]

Nutzladung eines Wagens Nenninhalt des Wagens Lösefaktor Füllfaktor

Nutzladung des gesamten Zugs

Vzug

[fm 3 ] [fm3]

V Z u g = n x V ,N VZug n 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: [fm3]

VHub = VZug

109

Gleisförderung Wagenmasse des gesamten Zugs m w [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. [t] mw n m'w m'wb Vwioo

Gesamtwagenmasse des Zugs Anzahl der Wagen Masse des Wagens ohne Bremse Masse des Wagens mit Bremse Nenninhalt eines Wagens Füllfaktor Schüttdichte

[t] [-] [t] [t] [m3] [-] [t/m3]

3. Fahrwiderstände [14] W m =W r +W k ±Wi wm wr wk W|

Gesamtfahrwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert Kurvenwiderstandsbeiwert Steigwiderstandsbeiwert

[-] [-] [-] [-]

Steigwiderstandsbeiwert w, [-] Die vorhandene Steigung [%] entspricht d e m Steigwiderstandsbeiwert W| [-], z.B. 3 % Steigung entsprechen w, - 0.03.

110

Gleisförderung Gesamtfahrwiderstand der Wagen Wm(W) [kN] Wm(W)=wm(W)xmwxg Wm(w)

Wm(W) w m(w) wr(W) wk(W) mw g

=

[kN] [-]

W r ( w ) + W k ( w ) + Wi

Gesamtfahrwiderstand der Wagen Gesamtfahrwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert der Wagen Kurvenwiderstandsbeiwert der Wagen Gesamtwagenmasse des Zugs Erdbeschleunigung: 9.81

[kl\l] [-] [-] [-] [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] Z R L >W m ( W ) + W m ( 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: [kN]

Wm(W) « Wm(L) Z R L >2xW m ( L )

Damit lässt sich die erforderliche Reibungsgewichtskraft der Lok G RL [kN] ermitteln: G

.ZRLs2xWm(L)

fkMl

[KINJ

G RL (j,

Reibungsgewichtskraft der Lok auf den Antriebsrädern [kN] Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene [-]

111

Gleisförderung Übertragbare Zugkraft der Lok auf die Schienen: [kN] mL

Masse der Lok (alle Räder = Antriebsräder)

[t]

Fahrwiderstand der Lok Wm(L) [kN] W m ( L ) = G R L x Wm(L) = G R L x ( W r ( L ) + w k ( L ) + w,) W m(L) wm(L) wr(L) wk(L) GRL

Fahrwiderstand der Lok Gesamtfahrwiderstandsbeiwert der Lok Rollwiderstandsbeiwert der Lok Kurvenwiderstandsbeiwert der Lok Reibungsgewichtskraft der Lok

[kN] [kN] [-] [-] [-] [kN]

Die Widerstandsbeiwerte beinhalten die gesamten Bewegungswiderstände des Rad-Schiene-Systems (Reibung Rad-Schiene und RadAchse). Die entsprechenden Widerstandsbeiwerte müssen bei den Rollmaterialherstellem angefragt werden. Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene j i [-] - nass - trocken - Sand gestreut

0.050-0.100 0.100-0.150 0.200 - 0.250

Danach kann ein zweckmässiger Loktyp gewählt werden: -

Motorleistung Lokgewichtskraft/Lokmasse Reibungsgewichtskraft Maschinenzugkraft

P mo GL GRL ZM

112

[PS bzw. k W ] [kN] / m L [t] [kN] [kN]

Gleisförderung 5. Zugkraftkontrolle Ermittlung des Fahrwiderstands der Lok Wm(L) [kN] [14] Wm(L) = wm(L) x m L x g

[kN]

mit m L x g > G R L

[kN]

Wm(L) wm(L) mL

Fahrwiderstand der Lok Gesamtfahrwiderstandsbeiwert der Lok Masse der Lok

[kN] [-] [t]

Das Lokgewicht ist dann grösser als das Reibungsgewicht der Antriebsräder, wenn nicht alle Räder gleichzeitig Antriebsräder sind. Gesamtfahrwiderstand des Zugs Wm [kN] [14]

wm = wm(L)+wm(w)

[kN]

Somit ist der erforderliche Zugkraftanteil der LokZ R zur Überwindung der Reibung:

z R >w m

[kN]

Erforderliche Anzugskraft des Zugs ZA [kl

Z A >(m L +Sm w i )xa v2

mit

mL mwi v la a

i —

[kN] [m/s2l

2xla

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]: ZA<0.75xZRL

[kN]

Mit dieser Anzugskraft ZA ist ein kraftschlüssiges Anfahren der Lok auf einer geraden Rampe mit 1 %o Steigung noch möglich.

113

Gleisförderung Erforderliche Gesamtzugkraft der Lok ZL [kN] [kN] Achtung: Zur Ermittlung der Gesamtzugkraft der Lok Z L die obere Grenze der Gesamtwiderstände einsetzen.

Antriebskraft der Lok P M x3.6 ^Antrieb ~

A

ZAntrieb

[kNj aut der Schiene FkMl [KIMJ

'lGes

ZAntrieb Antriebskraft der Lok, umgesetzt auf die Schiene PM Motorleistung v Streckengeschwindigkeit r|GeS Mechanischer Nutzungsgrad Motor-Schiene ~ 0.85

[kN] [kW] [km/h] [m/s 2 ]

Die erforderliche Masse der Lok m L [t] z u m Anfahren und zur Überwindung der Reibung ergibt sich aus: [t]

(xxg Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene Bedingung zur Lokauswahl: RL

[kN]

> Z An , ri eb > Z L

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.

114

Gleisförderung 6. Ermittlung der Bremsneigung [14] Die günstigste Neigung für Talfahrt ergibt sich aus dem Beharrungszustand bei gleichförmiger Bewegung, d.h. wenn - Zugkraft = 0 - Bremskraft = 0 Allgemein gilt für die günstigste Neigung, die so genannte Bremsneigung: 'br = w r(W) + w k(W)

ibr wr(W) wk(W)

H

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 Br_ert=Bb+B,

[kN]

Bb

[kN]

B|

Verzögerungskraft, um den Zug von der Fahrgeschwindigkeit v innerhalb der Strecke lb in der Horizontalen zu stoppen überschüssige Gefällekraft

115

[kN]

üfe

Gleisförderung Bb = ( m L + m w ) x b = (mL + m w ) x

v2

[kN]

B, = gx(m L x (i - w r L ) + m w x ( i - w r w ) )

[kN]

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

mL mw i Wr,L Wr,W

b v Ib

g

[t] [t]

[m/s2] [m/s] [m] [m/s2]

Mögliche Bremskraft Br_mögiiCh [kN] des Zugs

[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: R D

> F^r-erf

r-möglich — c

(mL+mw)[ r-

^ +ixg V

1

gxmwtb

b

(mLxwrL+mw xwrW)g /

m vn iii L x g

n

Gültigkeitsb sreich

aeR+ Arii r = nM;

1

ie R" =>r = 0;ae NAa = rii ^ r ^ n j 116

Gleisförderung 8. Fahrzeitberechnung [14] Gesamtfahrzeit T [min] Lx60 v ' ""a ' ""b T L v Ata Atb

Gesamtfahrzeit Länge der Transportstrecke mittlere Streckengeschwindigkeit Anfahrzeitzuschlag Bremszeitzuschlag

[min] [km] [km/h] [min] [min]

mit P XTlr-

Geschwindigkeit v = — - — ^ - x 3 . 6

[km/h]

v PM GRL

[km/h] [kW] [kN]

|o.

Fahrgeschwindigkeit Motorleistung Reibungsgewichtskraft der Lok (alle Räder = Antriebsräder) Kraftschlussbeiwert Rad-Schiene

Anfihr^rit^ii'Thlin \\ a—

Ata v aa

3.6x60xa a

Anfahrzeitzuschlag Geschwindigkeit, auf die der Zug beschleunigt wird Anfahrbeschleunigung

Anfahrbeschleunigung a a «

7

Anlneb

. \A/

^ m ZAntrieb Anfahrzugkraft/Antriebskraft der Lok Wm Gesamtfahrwiderstand m Masse des Zugs

117

[-]

fminl [min] [km/h] [m/s2]

[m/s ] [kN] [kN] [t]

Gleisförderung b

At b Ib

v

ab

v

3,6x60xa b

Bremszeitzuschlag Bremsstrecke Geschwindigkeit, bei der der Zug abgebremst wird Bremsverzögerung

[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] Prnfi

Qni

DIN 5901

[kg/m]

S 10 S 14 S 20 S 33 S41 R10 S 49

10.0 14.0 19.8 33.47 41.38 49.43

Zuläs siger Acf lsdruck i i[kN] beiSSchwellerlabstanci [cm] 60 70 80 100

ir

[nr m]

42.18 36.30 600 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

118

Bandförderung 4.3

Bandförderung

Nutzleistung Q N [Im 3 /h] QN - A F K v x a e O O x f ß X f ^ x f ^ x ^

[Im 3 /h]

mit

Qo = A F x v x 3 6 0 0

[Im 3 /h]

f2

[-]

= fßxf
wird [Im 3 /h]

Q N = Q 0 xf 2 XTl G QN Qo AF v fß f,, f5 r|G

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

25 18 14 <40

119

[Im 3 /h] [Im 3 /h] [m 2 ] [m/s]

Bandförderung 1 0.9

i Ib

0.8 0.7 0.6 0.5

10

15

20

Steigungswinkel [°] Bild 4-6: Korrekturfaktor fp - Einfluss des Steigungswinkels auf den Fördergutstrom [14] Tabelle 4-9: Optimale Bandbreite b zur maximalen Korngrösse [14] Bandbreite b [mm] 400 500 650 800 1000 1200

maximale YCorngrössen bei Einzelkombei Gemisch ponenten [mm] [mm] 100 180 120 200 260 160 200 300 250 380 300 450

Tabelle 4-10: Bandgeschwindigkeit v [14] v [m/s] 1.0- 2.0 1.5- 6.0 < 7.0

Stückgut Schüttgut Staubgut Spitzengeschwindigkeit für Laden von 8.0-12.0 erdfeuchtem, feinkörnigem Boden

120

25

30

Bandförderung Tabelle 4-11 Theoretischer Füllquerschnitt AF des Förderbandes [14], [33] Theoretische Füllqufärschnitte für dreiteilig gerrluldete Bänd er [m'] Bandbreite SchüttB fmml winkel 10° 500 15° 20°

0.0167 0.0200 0.0238

25° 0.0188 0.0221 0.0256

20°

Muldungswinkel 30° 35° 0.0205 0.0220 0.0250 0.0237 0.0282 0.0270

0.0244 0.0268 0.0298

45°

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

Schüttwinkel

Muldungswinkel

121

Bandförderung Antriebsleistung eines Bandes Grundförderleistung des Bandes Q o [t/h] Gesamtkraft des Bandes FB [kN] FB = ( F R + F v + F A ) x 7

[kN]

FR = [(2xm G +m L )xcosß+rn R ]xgxr| B xL

[kN]

Fv = ±(mL + 2 x m e ) x g x H

[kN]

H = Lxsinß

[m]

FA = ( 2 x m G + m L + rn R )xa a / b xL

[kN]

v2 2x1

v t =

m

R

m

Ro

1

r m / Q 2-i

Ru

rti[ LJ

1

[t/h]

Qo=QoxpF Q

™

o

rtil LJ

3600 x v FR Fv FA ITIG

= mG rn R mL mRo mRu l0 lu r|B ß L

Reibungskraft des Bandes SteigungsVNeigungskraft 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 a n Rollen sowie Antriebs- und Umlenktrommel Neigung des Bandes Gesamtlänge des Bandes

[t] [t] [m] [m] [-]

122

[°] [m]

Bandförderung H

maximale Höhendifferenz des Bandes Sicherheitsfaktor (ca. 30 % A 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

y Qo V

la/b ta/b

PF

[m] [-] [Im3/h] [t/h] [m/s] [m/s2] [m] [s] [t/lm3]

Die Antnebsleistung PA [kW] betragt

PA=FBxv

[kW]

Motorleistung PM [kW] P r|M

-

[kW]

P A

Wirkungsgrad 0.8 bis 0.9

123

Flüssigkeitsförderung 4.4 Flüssigkeitsförderung Berno ullische G»leichung für stationäre Bewe;gung mit Verlust in Rohrleitunge n Pi

pxg

2xg

w —

Q 3600 xAi

v

i

Ro J

V,j - A y 1

hv =

Pj

pxg 2xg Pi

g p

Zi

1

v2

*"

1 "7

Fml L' • 'J

1 h

Fm/'5l

F-l LJ

V

h n

Vö,k

^

VjXdj

Ov

h M

P2

7

L >gRej)1-2 Inn v Re^

I: d

j

V

^

1 ^kjl

-2

3.71 dj

J2

F-1

L J

Fml LrnJ

2xg 2

Fmi LrT1J

2x g

[m]

\ h ytl Z J Vö,k A 'lvisko ^ y

Druckhöhe am Punkt i der Rohrleitung

[m]

Geschwindigkeitshöhe am Punkt i der Rohrleitung

[m]

Druck am Punkt i in der Rohrleitung [kPa] Erdbeschleunigung [m/s2] Rohdichte der Flüssigkeit [t/m3] geodätische Höhe des Punktes i der Rohrleitung [m] Gesamtverlusthöhe zwischen Punkt 1 und 2 der [m] Rohrleitung Fliessgeschwindigkeit im gefüllten Rohrquerschnitt [m/s] am Punkt i

124

Flüssigkeitsförderung Q A Rej dj v Xj kj hv,j Ij Vj hVö,k £k vk ilvisko i, j , k

Fördermenge (Q F F bei Feststoff-Flüssigkeitsförderung, Q F bei Flüssigkeitsförderung) Querschnittsfläche des durchflossenen Rohrquerschnitts a m 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 (Wasser: ri™ k 0 = 1 . 0 ; Bentonit: v^sk0 = 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 X\ über einen bestimmten Rohrabschnitt j Die Rohrleitung wird in Teile gleicher Beschaffenheit eingeteilt. Zu beachten sind die absolute Rauheit des Rohres kj sowie der Durchmesserdj. Durch Bestimmung von Rej und des Verhältnisses kj/dj kann Xj für die Rohrleitungsabschnitte j aus Bild 4-7 entnommen werden. Dies geschieht durch das geradlinige Verbinden der Werte Re^ und kj / df im Diagramm. ^ kann als Schnittpunkt der Linie Repkj/dj mit dem Graphen A,abgelesen werden.

125

Flüssigkeitsförderung Tabelle 4-12: Kinematische Viskosität v [m2/s] von Wasser nach [35]

Temperatur [°C] 0 10 20 30 40 50 60 100

Kinematische Viskosität v [m2/s] 1.78 x10" 6 1.30 x10" 6 1.00 x10" 6 8.06 x10" 7 6.57 x10" 7 5.50 x10" 7 4.78 x10" 7 2.94 x10" 7

Tabelle4-13: Rauhigkeitsswerte k [mm] für Rohre [36 ]

Rohrwerkstoff gezogenen Rohre aus Kupfer und Messing, Kunststoffen, Glas Gummidruckschlauch nahtlose Stahlrohre langsgescnweissie Stahlrohr nach län-

Zustand der Rohrwand technisch glatt

Rauhigkeitswert k [mm] 0.0013-0.0015

0.0016

glatt 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

126

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

Flüssigkeitsförderung

'

•

&

Bild 4-7: Nomogramm zur Bestimmung des Widerstandsbeiwerts X, nach [34], [37] Nomogramm zur Bestimmung von A,j [-] bei bekannter Reynoldszahl Re und bekanntem Verhältnis Rohrrauhigkeit k/Rohrdurchmesser d

127

Flüssigkeitsförderung Bestimmen von lokalen Druckverlusten in Rohrleitungen Eintrittsverluste £E [-] Tabelle 4-14: Verlustbeiwerte £E [-] für Einlauf aus offenem Becken in ein Rohr [38] Verlustbeiwert

Beschreibung

CEH

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] 128

Flüssigkeitsförderung Tabe Ie4-1 5: Verlu stbeiwert e CK

[- ] r/H

r/u

2 3 5 10

15 0.030 0.030 0.030 0.030

22.5 0.045 0.045 0.045 0.045

CKK

[-] für Kreis krümmer [38]

Umlenkw 30 0.060 0.055 0.050 0.050

nkel a [ °] 45 60 0.090 0.120 0.080 0.100 0.070 0.080 0.070 0.070

90 0.140 0.130 0.110 0.110

Verlustbeiwerte C,K [-] für Kreisrohr-Kniestücke

Bild 4-9: Kreisrohr-Kniestück [38] Tabelle 4-16: Verlustbeiwerte £K [-] für Kreisrohr-Kniestücke [39] K

[- ] Wandung

giatt rauh

10 0.034 0.044

15 0.042 0.062

Umle nkwinke l a [ ° ] 30 22.5 45 0.066 0.130 0.236 0.154 0.165 0.320

129

60 0.471 0.684

90 1.129 1.265

Flüssigkeitsförderung Verlustbeiwerte £QÄ [-] für Querschnittsänderung

Bild 4-10: Querschnittsänderung [38]

1-

A2

Äi"

Verlustbeiwert für Querschnittsänderungen Formbeiwert Flächenverhältnis Austritts- zu Eingangsrohrquerschnitt Tabelle 4-17: Formbeiwerte für Querschnittsänderungen nach [38], [40] Beschreibung konische Erweiterung plötzliche Erweiterung

Aufweitungs-/ Verengungswinkel a[°] 8 >30

konische Verengung

<30

plötzliche Verengung

>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 C,K die Geschwindigkeit v2 am Krümmer bzw. Knie - für Querschnittsänderungsverluste £QÄ die Geschwindigkeit v2 direkt hinter der Querschnittsänderung

130

Flüssigkeitsförderung 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 Wassserspiegel aufgestellt (Bild 4-11) 2. Pumpe ohne Saugleitung mit Zulaufdruck, d.h. die Pumpe ist unter dem tiefsten Wasserspiegel aufgestellt (Bild 4-12).

Q >'

höchster Wasserspiegel

Tiefster Wasserspiegel ^

's

+ geod.

Pumpenachse -geod.

Bild 4-11: Prinzipdrucklinie Fall 1 - Pumpe mit Saugleitung

131

Flüssigkeitsförderung

Tiefster Wasserspiegel

p

-

Pumpenachse

-geod.

hs.Veri hs

Hydraulische Hydraulische Hydraulische Hydraulische

Verlusthöhe an der Saugseite Verlusthöhe an der Druckseite Höhe an der Saugseite Höhe an der Druckseite

[m] [m] [m] [m]

Bild 4-12: Prinzipdrucklinie Fall 2 - Pumpe mit Zulaufdruck Durchflussmenge Q [m3/s]

[m3/s]

= vsxAs=vDxAD Q As AD vs vD

Fördermenge der Pumpe (Q F F bei FeststoffFlüssigkeitsförderung, Q F bei Flüssigkeitsförderung) Querschnitt der Saugleitung Querschnitt der Druckleitung Fliessgeschwindigkeit in der Saugleitung Fliessgeschwindigkeit in der Druckleitung 132

[m 3 /s] [m 2 ] [m 2 ] [m/s] [m/s]

Flüssigkeitsförderung Manometrische Förderhöhe H man [m] [m]

Hman=hs+hD D n

D,verl

S ~ nS,verl

^geod

=

[m]

D,geod + n

[m]

S,geod

[m]

^D.geod - ^s.geod

Hman hs hD

Manometrische Förderhöhe der Pumpe Hydraulische H ö h e an der Saugseite Hydraulische Höhe an der Druckseite

[m] [m] [m]

Fall 1 : /,S + hy.Pe + ^s.geod "*" ''D.geod

Hman

+ h

V,Pa

+ hV,A + Z h VÖ,i i

2

2xg

i

Sl

j

Fml hgeod

=

''D.geod

+

••s.geod

Fall 2 : H man = h V i E + hVi<3+ h V,Pe + hgeod + hV,Pa + hV,D

+ hv,A +

h

+ Z Vö,i i

2

/l r xgl

/

+

E+

i S 'J [tnj

h

geod

-h

D,geod

- h S,geod

[m] 133

Flüssigkeitsförderung h v ,E h v ,s h v ,p e

v,pa

h v ,D hv,A hVö,i

ls ID vs vD k Re

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 Saugund 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/sj [mm]

[[-]

Im Fall eines nicht freien Austritts ist der Druck am Ende der Leitung nicht null. In diesem Fall muss in obiger Gleichung (Fall 2) die Druckhöhe hD,A n. =

PD,A

berücksichtigt werden.

YF

Steht die Zulaufseite einer Pumpe unter Druck, wie z.B. die Druckkammer eines Hydroschildes, so erhöht sich die Zulaufhöhe zur Pumpenp„ _ achse um h S E = — ^ . Allerdings wird man oft den Zulaufdruck einer

134

Flüssigkeitsförderung Druckkammer zur sicheren Leistungsdimensionierung nicht berücksichtigen, um im Notfall bei Abfallen des Drucks auch die drucklose Kammer auszupumpen. yF

spezifisches Gewicht der Flüssigkeit

[kN/m 3 ]

Flüssigkeits-Feststoff-Gemische Handelt es sich bei dem Fördermedium nicht um Wasser sondern um ein Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch, so ist die Dichte höher:

p FF

100

M^Fs

vF

p FF p, FS VFF VF Qo QF p FS pF pw

PFS

l

ifi

^Fs"

100,

lo \9v

3 rt/m i Ll/MI J

"PF

QF

vinn

FVnl -%1

PFS - P F

Rohdichte des Flüssigkeits-Feststoff-Gemischs [t/m 3 ] Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration [Vol.-%] Feststoffvolumen [fm 3 ] Voiumen der unbeladenen Förderflüssigkeit [m 3 ] Feststofffördermenge (Grundabbauleistung) [fm 3 /h] Fördermenge der unbeladenen Förderflüssigkeit [m 3 /h] Rohdichte des Feststoffs über Wasser (natürliche [t/m 3 ] Lagerung ohne Auftrieb) Rohdichte der Förderflüssigkeit ohne Feststoffe [t/m 3 ] (Wasser p F = 1 ; Bentonitsuspension siehe Bild 4-13) Rohdichte von Wasser [t/m 3 ]

Die Grenzgrösse p F F = 1 . 4 - 1 . 5 t/m 3 ist bei Kreiselpumpen zu beachten.

135

Flüssigkeitsförderung Manometrische Förderhöhe H^Fan [m] bei Flüssigkeits-FeststoffGemischen HFF n

man

_(_, n man

x

f PFF j

[m]

IPWJ

Dichte von Förderflüssigkeiten Im Baubetrieb werden als Fördermedium neben Wasser pF = p w = 1.0 t/m 3 auch Bentonitsuspensionen verwendet, so z.B. bei Hydroschilden(Bild4-13).

1.0500 1. Dichte

'

1.0200 1.0100 1.0050 1

2

3

4

5 6 Konzentration

7

8

9

Bild 4-13: Dichteverlauf der Bentonitsuspension bei verschiedenen Bentonit-Wasser-Konzentrationen [41]

136

Flüssigkeitsförderung Kreiselpumpen: Überprüfung der Pumpeinrichtung Erforderliche Saughöhe der Pumpe hs,erf [m] h

S,erf

hserf ns.geod hs.Verl

v| 2xg PFF

Pw

-

[hs'9eod+hs'Verl + 2xgJ X p w

[m]

[m] erforderliche Saughöhe geodätische Saughöhe (entspricht der Höhendiffe- [m] renz Unterwasserspiegel - Pumpenachse) Gesamtverlust der Saugleitung (Reibungungsver- [m] luste 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 ^ h Si 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 erreichbaren Saughöhe hs,max = hs,Gerät und liegt je nach Qualität der Kreiselpumpe sowie Temperatur des Mediums und Drehzahl zwischen 6 - 9 mWs [42].

137

Flüssigkeitsförderung Überprüfung auf Kavitation bei Flüssigkeitsförderung Zulässige Saughöhe hs,zui [m] h s ,zui=H B -H D -Ah hs.zui HB

[m]

zulässige Saughöhe Aussenatmosphärendruck oder Druck über der Flüssigkeit an der Saugseite Dampfdruck der Flüssigkeit bei der a m Pumpeneintritt herrschenden Temperatur temperaturabhängiger Verlust der Saugfähigkeit der Kreiselpumpe, abhängig von der konstruktiven Gestaltung der Pumpe sowie Drehzahl (siehe U n terlagen der Pumpenhersteller)

HD Ah

[m] [m] [m] [m]

Für kavitationsfreie Strömungen muss gelten: hs.erf ^ h S z u | = hs,Gerät

Tabelle 4-18: Dampfdruck von Wasser HD [m] nach [43] Temperatur [°C]

Dampfdruck im Sättigungszustand H D [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 Ah können maschinenspezifisch aus [42] entnommen werden.

138

Flüssigkeitsförderung 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 =Fr kril xj2xgxdx pFS

PF

[m/s]

PF

Bedingung in den Saug- und Förderleitungen: (v s ; Vp) > v krit Frkrit g d p FS pF 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/s] [m/s] [] [m/s2] [m] [t/m3] [t/m3] [m/s] [m/s]

Die kritische Froud'sche Zahl Frkrit ist abhängig von der FeststoffFörderflüssigkeits-Volumenkonzentration p.FS [Vol.-%] des Förderflüssigkeit-Feststoff-Komgemischs und dem mittleren Korndurchmesser d m [mm] des zu transportierenden Korngemischs:

Bild 4-14: Abhängigkeit der Froud'schen Zahl Frkrit vom mittleren Komdurchmesser d m und der Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration |iFs des zu transportierenden Komgemischs nach [44] 139

Flüssigkeitsförderung Beispiel: Tunnelvortrieb mit Hydroschild

Vortriebsrichtung F

= Q F +AQ F [

QFF= QF + Qo

jZulauf ) Abförderung

Abbaukammer Bild 4-15: Materialfluss bei Hydroschildvortrieb Das Feststoffvolumen entspricht der Grundabbauleistung: [m3/h]

Q0=lxAOb bzw.

[m3]

VFF=Vab=AObxAlab Annahme: Die Förderzeit entspricht der Abbauzeit (tFZ = t B z):

[m3/h]

t BZ

Der Volumenstrom der beladenen Flüssigkeit (Flüssigkeits-FeststoffGemisch), die die Pumpe fördern muss, kann somit wie folgt ausgedrückt werden: Zulauf: ÖF=QF+AQF

[m 3 /h]

\Q F - O F - K v e r l 100

r m 3 /hl

Abförderung: [m3/h]

Q F F =Q 0 +Q F

[Vol,%]

F

140

Fl üssigkeitsförderung [m3/h]

QFF =

Qo 1 AOb

VFF

vab

Alab tFZ

tez

QFr QF

AQF Kverl QFF !^FS

ri

Feststofffördermenge (Grundabbauleistung) Penetrationsleistung Ortsbrustquerschnitt Abbauvolumen (Vab) während eines Vortriebshubs (Alab) Abbauvolumen Vortriebshub Förder- bzw. Abbauzeit (tBz) beim Druckschild (Erddruck- bzw. Hydroschild) Abbauzeit Zulaufmenge der Trägerflüssigkeit (Bentonitsuspension) Trägerflüssigkeitsmenge der unbeladenen Förclerflüssigkeit (z.B. Bentonitsuspension) in der Abf örderung Förderflüssigkeitsverlust im Porenraum der Ortsbrust Verlustanteil der Trägerflüssigkeit im Porenrau Tl an der Ortsbrust (5 - 20 %) Flüssigkeits-Feststoff-Förderleistung Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentra tion Wirkungsgrad der Pumpe

[m3/h] [m/h] [m2] [m3] [m3] [m] [h] [h] [m3/h] [m3/h] [m3/h] [Vol.-%] [m3/h] [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.

141

:

F lüssigkeitsför derung Pumpenkennlinien H p (Kreiselpumpe Drosselkurven) n^ [U/min]

—~——~-ü

1 ^

J /7t

H [m]

i i rnax

iimin

u man "geod 1

min

^ — = ^ Betriebspunkte

rnan

[

Q [m 3 /h]

max

Bild 4-16: H-Q-Diagramm für Pumpen- und Rohrkennlinien Auswahl der Kreiselpumpe 'Entsprechende Pumpe

N

bzw. Pumpenkennlinie, n

man

inderalle dreiBedingungen

=>( n j=>P p =^L

[kW]

^erfüllt sind Qmax

Hman hs,erf n r) PP Pert

Fördermenge ( Q F F bei Flüssigkeits-FeststoffGemisch; Q F bei reiner Flüssigkeitsförderung) erforderliche manometrische Förderhöhe erforderliche Saughöhe Drehzahl der Pumpe Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Pumpenleistung/Anschlussleistung erforderliche Grundleistung der Pumpe

142

[m 3 /h] [m] [m] [U/min] [-] [kW] [kW]

Flüssigkeitsförderung Leistungsaufnahme der Pumpe PP [kW] •

P=

erf

[kW]

T

Erforderliche Grundleistung der Kreiselpumpe Perf [kW pxgxQmaxxHman ert

Perf r| p

g Qmax H mari

rkwi

LK.VVJ

3600 erforderliche Grundleistung der Pumpe Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Dichte des Fördermediums (p FF Rohdichte des Flüssigkeits-Feststoff-Gemischs; p F Rohdichte der Förderflüssigkeit ohne Feststoffe) Erdbeschleunigung Fördermenge (Q FF bei Flüssigkeits-FeststoffGemisch; Q F bei reiner Flüssigkeitsförderung) erforderliche Förderhöhe

[kW] [-] [t/m 3 ]

[m/s 2 ] [m 3 /h] [m]

Falls die Wirkungsgrade r| nicht im Pumpendiagramm angegeben sind, können die Wirkungsgradfaktoren Tabelle 4-19 entnommen werden. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage r\ [-] ergibt sich dann aus:

r\ r|P r\K r|M

Gesamtwirkungsgrad der Pumpanlage Wirkungsgrad der Pumpe Wirkungsgrad der Kupplung Wirkungsgrad des Pumpenantriebs/-motors

Tabelle 4-19: Wirkungsgrade nach [45], [46] Pumpen-Wirkungsgrad TI P

[-]

0.60 - 0.80

Kupplungs-Wirkungsgrad %

[-]

0.95 - 0.99

Motor-Wirkungsgrad r|M

[-]

0.75 - 0.94

143

[-] [-] [-] [-]

Flüssigkeitsförderung Drehzahlregelung von Kreiselpumpen (Ähnlichkeitsgesetz) [42] Für die Regelung von Kreiselpumpen mittels Drehzahländerung gilt folgender Zusammenhang für zwei verschiedene Gleichgewichtszustände der Rohr- und Pumpenkennlinien:

rij HPi i

Fördermenge Drehzahl der Pumpe Förderhöhe Drehzahlstufen: i = (1; 2)

[m3/h] [U/min] [m] [-]

Die Fördermenge Qi ändert sich proportional zur Drehzahl rij. Die Förderhöhe HPJ ändert sich proportional zum Quadrat der Drehzahl rv Unter Annahme des gleichen Wirkungsgrads für kleine Drehzahländerungen Arij ergibt sich für die Pumpleistung PPi folgendes Verhältnis: Ppi_fnil3 PP2

H

\^2j

Bei grösseren Veränderungen der Drehzahl muss die Veränderung des Wirkungsgrads r) berücksichtigt werden. Es gilt n

111 Xf il°

[nJ

1

H

Kolbenpumpen: Dimensionierung und Überprüfung der Pumpeinrichtung Kolbenpumpen wirken durch das Verdrängungsprinzip. Förderhöhe, Förderleistung und Verluste in der Rohrleitung sind somit voneinander unabhängig.

144

Flüssigkeitsförderung Förderleistung Q [m3/h] nach [21] [m3/h]

Q = 6x^xAKolbenxsxnxnKolbenx10~5 Q

X

A K olben S

n n K0 lben

Fördermenge volumetrischer Wirkungsgrad Kolbenfläche Kolbenweg Umdrehungszahl der Kurbelwelle Zylinder- bzw. Kolbenanzahl

[m7h] [-] [cm2] [cm/U] [U/min] [-]

Der volumetrische Wirkungsgrad X 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,zui bei Aussenatmosphärendruck (HB) von 10m Wassersäule [45]

Wassertemperatur [°C] Saughöhe hs.zui [m]

5

10

20

30

40

60

80

7.00

6.97

6.85

6.66

6.34

5.07

2.27

145

Flüssigkeitsförderung Leistungsaufnahme der Pumpe [kW] D

Pp

[kW]

'erf

"T

[-]

Ti = r| P xri K xri M

Erforderliche Grundleistung der Kolbenpumpe Perf [kWr]nach[21] pxgxA.xAKolbenxsxnxnKolbenxHman 6x10"7 PP Pert ri r)p r|K TIM p g X AKoiben s n nKoiben Hman

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

146

fkWl [kW] [kW] [-] [-] [-] [-] [t/m3] [m/s2] [-] [cm 2 ] [cm/U] [U/min] [-] [m]

Flüssigkeitsförderung 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= ID = h

15 500 i—

i igsocl —

GWS

Bentonit

20 m 10 m

Pi

Schneidrad

GeW.-% mm t/m 3 kPa fm 3 /h

40 m

d = 0.4 m

Druckluft x Zulauf Rüoklauf

15 m

8 3 2.7 2.0 130

25 m

Rohrbogen: 90° r/d = 10

---

m

111

geschweisstes Stahlrohr d = d s = d D = 40 cm Einlauftrompete Rohrbogen, 3 Stück

Bentonitkonzentration: Ceentonit = Mittlerer Korndurchmesser Abbaumaterial: d m = pFS = Rohdichte des Feststoffs: Druck im Hydroschild: Po.ein = Qo= Maximale Abbauleistung:

±1

AC\

^\J

m m

' '

435 m

1

Bild 4-17: Schematische Darstellung eines Rechenbeispiels

147

Flüssigkeitsförderung 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 po,ein = 0 kPa).

< V

}

\

V / / / \ V /

Für Pumpenberechnung Po,ein= O k P a

FlüssigkeitsFeststoffGemisch

Bild 4-18: Schematische Darstellung der Drucklinie

148

'geod

Flüssigkeitsförderung Zur Dimensionierung der Pumpe werden zwei Fälle des Pumpenbetriebs betrachtet. Fall 1: Optimale Feststoff-Flüssigkeits-Volumenkonzentration: M-FS = 6.5 Vol.-%

6 5

' x2.7 + fi-—1x1.045 = 1.15 [t/m3] 100 l. 100 Fall 2: Grenzfälle der Flüssigkeits-Feststoff-Förderung: - Bentonitsuspension ohne Beladung HFS = 0 Vol.-% CBentonit = 8 Gew.-% => pFF = 1 -045 t/m3 (Bild 4-13) - Grenzgrösse für den Betrieb von Kreiselpumpen pFF = 1 -4 t/m3 PFS-PF

2.7-1.045

Vol,%

Lösung - Fall 1 : HFS = 6.5 Vol.-% und pFF = 1.15 t/m

3

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.

149

Flüssigkeitsförderung Dichte der Bentonitsuspension: nit = 8 Gew.-% => pF = 1.045 t/m3 (Bild 4-13) Maximal erforderliche Förderleistungen bei voller Abbauleistung: Abförderung: Feststoffmenge: Qo = 130 fm3/h Trägerflüssigkeit (Benontitsuspension): o 1 ^n QF = -^_x100 = — x100 = 2000 m3/h ii

R <=>

Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch: QFF = QF + Qo = 2000 + 130 = 2130 m3/h Zulauf an Bentonitsuspension (Annahme KVeri = 10 %): QF = QF + AQ = QF x (1 + ^§EL 1 = 2000 x 11 + — ] = 2200 [m3/h]

V

100 J

i, 100J

Fliessgeschwindigkeit, hier über die gesamte Strecke gleich bleibend, dad = const.: v - vDD = vss =

—— = 3600xA

— 3600XJTX

fdV

[m/s]

-

Kritische Fliessgeschwindigkeit für Feststofftransport vkrit: dm = 3mm ^> Frkrit =0.92 (Bild 4-14) vkrit = Fr k r i t xj2xgxdx p F S

pF

PF

= 0.92xj2x9,81x0.4x 2 " 7

1 045

'

1.045

=3.24 m/s

Bedingung für den Transport von Feststoffen: v > vkrit 150

Flüssigkeitsförderung - Kritische Förderleistung für Transport von Feststoffen: QFF = vkrit x A = vkrit x3600xnx| = 3.24 x 3600 x 7t x

0.4

= 1466 m3/h

Dies entspricht einer Abbauleistung von:

Qn =

'FF'

100

1+

= 1466x

1 +100 6.5

= 89.5 m7h

bei pFF = 1.15t/m3 Widerstandsbeiwert A, (für die gesamte Strecke gleich bleibend): d

400

kinematische Viskosität: v = 1.3 x 10~6 m/s2 Reynoldszahl: Re =

1=

vxd

(logRe - 2 x l o g 2.7 x Re

\1.2

1

k x 3.71-x — d

-2

- Verluste der Saugleitung:

l

v

s Reibungsverlust: h v s = A , x — x d 2xg

[m]

Einlauftrompete: h V E = ^E x

[m]

2xg

Verluste Saugleitung gesamt: hSiVerl = (h v s + h v E ) x r| visko

151

[m]

Flüssigkeitsförderung - Verluste der Druckleitung: ID Reibungsverlust: h V i D =A,x —x d 2xg

[m]

Verluste durch drei Rohrbogen: hVÖKK = 3 x ^ K K x

v2

xg = (h V D +h VÖKK )xr| visk0

Verlust Druckleitung gesamt: hD Veri

[m] [m]

Erforderliche Saughöhe: Dichte von Wasser: p w = 1 t/m3 h

s,erf = hs,geod + h SVerl + - ^ — x ^ ^ x g j pw

fe-

[m]

hier: hs,geod = 0 m Zulässige Saughöhe: 1.5 = 8.37 m Erforderliche Förderhöhe HFFan der Pumpe: ( ''man

~ ' ' g e o d "•"

S,Verl

v'S,'

+

D

"2

, V e r l ) ^

^-X g

^ Pw

[m]

152

Tabelle 4-21: Fall 1 - Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen 438

508

578

662

752

to

CD

o

o

o

co

,_

to (0

.2.

.2.

.2.

00 00

g 8

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LO

70

CO

66

co

o

57

S

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Jü J»

448

cv.

281

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236

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56

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51

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44

s o

47

o

36

R R fS

40 00

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o

331

o

o

62

o

O

54 61

o

o

609

o

o

986

283

CD

197

CD

229

373

o

LO

46

in

O

co o

17.

o

CD

o o

81.

OJ

159

co

00

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CD 00

cg

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19 44

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b

b

b

b

03

CM

o

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X CJ O)

o X

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b

b

b

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x o

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36

28

o

29

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22

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O

S

00 00

o

O

77 20 34

o o

17 28

8

CJ

14

o o

.C

io

p

153

Flüssigkeitsförderung Aufgrund der kritischen Geschwindigkeit für den Feststofftransport ist eine Förderleistung von 1466 m3/h (vkri, = 3.24 m/s) einzuhalten. Bedingt durch die gewählte Pumpe beträgt die maximale Förderleistung 2410 m3/h. Durch eine stufenlose Drehzahlregelung (600 min"1 < n < 700 min'1) können die entsprechenden Förderleistungen eingestellt werden. - Erforderliche Grundleistung der Kreiselpumpe:

Tatsächliche Leistungsaufnahme der Pumpe: Der Wirkungsgrad r\P entstammt dem Pumpkennlinien-Diagramm (Bild 4-19). Für die Wirkungsgrade der Kupplung und des Motors werden r|K = 0.99 und ri M = 0.90 angenommen. P = ijärL = I

&rf

[kW]

Ip '

Lösung - Fall 2: 0 Vol.-% < |^FS 1.045 t/m 3 < pFF < 1.4 t/m 3 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 pFF < 1.4 t/m3:

pFS-pF

x100

2.7-1.045

x100 =

154

Flüssigkeitsförderung Fliessgeschwindigkeit, siehe Fall 1 Kritische Fliessgeschwindigkeit für Feststofftransport vkrit: Bei maximalem Feststoffgehalt in der Flüssigkeit (i FS = 21 Vol.-% mit: d m = 3 mm => Frkrit =1 (Bild 4-14) vkrit-Frkritxj2xgxdxpFS

pF

PF

= 1 . 0 x J 2 x 9 . 8 1 x 0 . 4 x 2 ' 7 1 " 0 4 5 = 3 . 5 3 m/s V 1 -045 Bedingung für den Transport von Feststoffen: v > vkrit Kritische Förderleistung für Transport von Feststoffen, siehe Fall 1: Widerstandsbeiwert X, siehe Fall 1 Verluste der Saugleitung, siehe Fall 1 Verluste der Druckleitung, siehe Fall 1 Erforderliche Saughöhe: PFF =

1 -045 t/m 3 bzw. pFF = 1 -4 t/m3

Dichte Wasser: p w = 1.0 t/m3 h

= h + h + ^ —

[m]

X—

hier: hs,geod = 0 m - Zulässige Saughöhe, siehe Fall 1 - Erforderliche Förderhöhe H ^ der Pumpe: V

'"'man

=

^geod + ihs.Verl

+

"Vverl j + p

D

155

7

Flüssigkeitsförderung p FF = 1.045 t/m 3 bzw. p FF = 1.4 t/m 3

Hl=Hmanx^

[m]

Pw 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 pFF = 1.045 t/m3 bis pFF = 1 -4 t/m3, pFS = 2.7 t/m 3 und d m = 3 mm: =

pFF

~pFx100

=^ Frkrit (Bild 4-14) =>

PFS-PF

vkri, = Frkrit x 2 x g x d x pFS p F V PF

[m/s]

Die kritische Fördermenge lässt sich berechnen aus: /

.N2

Q F F = v krit x A = v krit x 3600x7i x ( - 1

[m 3 /h]

Weiterhin lassen sich die manometrischen Förderhöhen, analog dem Vorgehen für Fall 1, bestimmen: HL^H^xM Pw

[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.

156

?

ii

o

•

•

3.09

3.54

3.98

4.42

4.86

5.31

1400

1600

1800

2200

2400

-i

2.21

•

oj

1

II

o

52 61

8

O

o o o o

3 65 77 20.34 0.473

o o o

8 07 09

o o

O

|

Q.

.S.

.a .a 19.441 2.5i 22.891 3.oe

14.46 0.329 16.26| 2.1'

^ 03

17.28 0.398

11.88 0.266 13.36| 03 03

'o

o

o

o

8

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63x

1.13x

'o

1.15X

CJ

50x

o

™

45

467.2 542.0

49

80

09

30

624.9

399.9

76 04 61

S

65

339.5

72 02

285.2

41 71

0.5!

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5.31

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0.1'

8 S 8

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05

62 49

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0.21

192.4

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1.16x

9.54

36

o

04

0.10

21.3 98.9

55 70

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0.161 8.36 |

0.77

469.0

02

65 09

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7.44

28

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03

0.76

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64 06

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0.40

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55 61 63

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15.9 74.2

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0.02

Tabelle 4-22: Fall 2 - Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen 00

S to

<-

.a

Flüssigkeitsförderung Tabelle 4-23: Kritische Fördermengen für verschiedene FlüssigkeitsFeststoff-Gemische FF

H

PFF

HFS

Frkri,

Vkrit

QFF

[t/m3]

[Vol.-%]

[-]

[m/s]

[h/m3]

[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

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:

Qn =

1 1 +100

- WFF .

1

1+

[m3/h]

PFF-PF ,PFS"PF

mit pFS = 2.7 t/m 3 und pF = 1.045 t/m3 Die Nettovortriebsleistung ergibt sich aus der Beziehung: Q 0 = l x A O b mit A O b = 7 t x ( - j

=

158

rcx(yj

=78.5 m 2

Flüssigkeitsförderung Tabelle 4-24: Matrix der Abhängigkeiten der Abbauleistung (Qo) bzw. Nettovortriebsleistung (I) von der Fördermenge und der Rohdichte des Feststoff-Flüssigkeits-Gemischs C>o [t/ h] [m/h] PFF [t/m3] entspricht ca. (iFS [Vol.-%]

1.045

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

0

3

6

9

12

15

18

21

0.0

41.0

76.1

109.3

140.6

170.3

198.5

225.3

1.4

0.0

0.5

1.0

1.4

1.8

2.2

2.5

2.9

0.0

41.8

77.6

111.3

143.3

173.6

202.3

229.6

0.0

0.5

1.0

1.4

1.8

2.2

2.6

2.9

0.0

45.0

83.5

119.9

154.3

186.9

217.9

247.3

0.0

0.6

1.1

1.5

2.0

2.4

2.8

3.1

0.0

48.2

89.5

128.5

165.3

200.3

233.4

264.9

0.0

0.6

1.1

1.6

2.1

2.6

3.0

3.4

0.0

51.5

95.5

137.0

176.3

213.6

249.0

282.6

0.0

0.7

1.2

1.7

2.2

2.7

3.2

3.6

0.0

54.7

101.4

145.6

187.4

227.0

264.5

300.2

0.0

0.7

1.3

1.9

2.4

2.9

3.4

3.8

0.0

57.9

107.4

154.1

198.4

240.3

280.1

317.9

0.0

0.7

1.4

2.0

2.5

3.1

3.6

4.0

0.0

61.1

113.4

162.7

209.4

253.7

295.7

335.6

QFF

0.0

0.8

1.4

2.1

2.7

3.2

3.8

4.3

[m3/h]

0.0

64.3

119.3

171.3

220.4

267.0

311.2

353.2

0.0

0.8

1.5

2.2

2.8

3.4

4.0

4.5

0.0

67.5

125.3

179.8

231.5

280.4

326.8

370.9

0.0

0.9

1.6

2.3

2.9

3.6

4.2

4.7

0.0

70.8

131.3

188.4

242.5

293.7

342.3

388.6

0.0

0.9

1.7

2.4

3.1

3.7

4.4

4.9

0.0

74.0

137.2

197.0

253.5

307.1

357.9

406.2

0.0

0.9

1.7

2.5

3.2

3.9

4.6

5.2

0.0

77.2

143.2

205.5

264.5

320.4

373.5

423.9

0.0

1.0

1.8

2.6

3.4

4.1

4.8

5.4

0.0

80.4

149.1

214.1

275.5

333.8

389.0

441.5

0.0

1.0

1.9

2.7

3.5

4.3

5.0

5.6

0.0

83.6

155.1

222.7

286.6

347.1

404.6

459.2

0.0

1.1

2.0

2.8

3.7

4.4

5.2

5.8

0.0

85.2

158.1

226.9

292.1

353.8

412.4

468.0

0.0

1.1

2.0

2.9

3.7

4.5

5.3

6.0

159

Flüssigkeitsförderung GG 12148 .- i 4 \ 80

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0 1000

2000

3000

4000

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)

160

Schneckenförderung 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.

Vortriebsrichtung

Abbaukammer Bild 4-20: Schematische Darstellung eines TVM-Tunnelvortriebs mit Förderschnecke zur Materialabfuhr

Q Q

-^-

[Im3/h]

Q o = l x ATunne|

[fm3/h]

°" a

Qo volumetrische Grundförderleistung (Lockermaterial) Qo Grundabbauleistung (festes Material), z.B. der TVM oc Lösefaktor I Nettovortriebsleistung, z.B. der T V M A-runnei Tunnelausbruchfläche

161

[Im3/h] [fm3/h] [fm3/lm3] [m/h] [m2]

Schneckenförderung Die Grundförderleistung Q m0 [t/h] und die volumetrische Grundförderleistung Qo [Im3/h] von Förderschnecken sind abhängig von der Schneckengeometrie und dem Fördergut [47].

Bild 4-21: Geometrie einer Förderschnecke

Qo

Qm,o

[t/h] [Im3/h]

Qo = A x v A

_ c do

-d?

4

Fm 2 l

' YTT

[iii

v = s, x n Qm,0

Ps Qo <po PF

Qo

a A V

d2 di Si

n

j

[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

162

[t/h] [t/lm3] [Im3/h] [-] [t/fm3] [fm3/h] [fm3/lm3] [m2] [m/h] [m] [m] [m] [1/h]

Schneckenförderung Die Nutzförderleistung QN [t/h] (entspricht dem Abbauvolumen in fester Form) ergibt sich zu Q .=Qm, 0 Xk 2 x k 3 x r i G

[t/h]

k2 = f 5 x f ß x f st xf 4 xf5

H

f

ß

= 1-ßx0.02

k3

k2 k3

f-liWsi

fst

ß

uf 5

rii Tl2

[-]

-111XT12

QN Qm,0

fs fß

[-]

Nutzförderleistung Grundförderleistung Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert nicht massgebend Steigungungsfaktor 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 cp ist abhängig vom Grundwert, der durch die Reibungs- und Hafteigenschaften des Fördergutes bestimmt wird. Ferner beeinflussen schneckenspezifische geometrischen Faktoren wie Steigung der Schneckenganghöhe S und Steigung der Schneckenachse ß die Leistung. Auch sind eventuelle Stauungen an Zwischenlagern infolge Überladung zu berücksichtigen.

163

Schneckenförderung Tabelle 4-25: Grundwerte des Füllungsgrads
Grundwert des Füllungsgrads
Fördergut mässig schleissend, körnig bis kleinstückig (Sand) schwer, stark schleissend (Kies)

» 0.3 « 0.15

Tabelle 4-26: Steigungsfaktor f6 der Schneckenganghöhe nach [47]

Steigung der Schneckenganghöhe 8[°] ungewöhnlich gross: > 30 übliche Steigung: 17< 5 < 30

Abminderungsfaktor - Steigung der Schneckenganghöhe fsH » 0.9 » 1.0

Tabelle 4-27: Staufaktor fst nach [47]

Abminderungsfaktor - Einfluss von Stauungen

Stauung

fst [-]

Zwischenlager der Schnecke gleichmässiger Fluss, keine Stauungen

« 0.9 » 1.0

Tabelle 4-28: Betriebsbedingungen r|2 nach [47]

Betriebsbedingung rauer Betrieb, schlechte Wartung, häufige Überfüllung, ungleichmässige Beschickung guter Betrieb, keine Uberfüllung, gleichmässige Beschickung

164

Betriebsbedingungen TI2H 0.8 1

Schneckenförderung Die erforderliche Schneckenkraft FB [kN] in Förderrichtung kann anhand einer Betrachtung der Förderschnecke über eine definierte Länge Al hergeleitet werden.

Bild 4-22: Betrachtung eines Ausschnitts der Förderschnecke bezüglich der wirkenden Kräfte FR = mÄ| xgxcosßxLxÄ,

[kN]

FH = m Al xgxsinßxL

[kN]

mAI-psxAx(p0xfgxfß--^-xf5xfp

[t/m]

mit [m]

H = sinßxl_ Summe aller Kräfte in Achsenrichtung: F

[kN]

B = F R + FH

Fß =p s xAx(p 0 xf g xf | 3 xgx(cosßxLxX, + H) FR mÄ| g ß

m

'°xf § xf ß xgx(cosßxLxX + H)

Reibungskraft Streckenlast des Fördergutes Erdbeschleunigung Steigung der Schneckenachse 165

[kN] [kN] [t/m] [m/s 2 ]

Schneckenförderung L H X FH ps A v (p0 FB

Schneckenlänge Höhendifferenz zw. Schneckenanfang und - e n d e Verschiebewiderstandsbeiwert Hangabtriebskraft Schüttdichte des Fördergutes (lockeres Material) Förderquerschnitt Fördergeschwindigkeit der Schnecke Grundwert-Füllungsgrad der Förderschnecke erforderliche Schneckenkraft

[m] [m] [-] [kN] [t/m 3 ] [m 2 ] [m/h] [-] [kN]

Tabelle 4-29: Verschiebewiderstandsbeiwert X in Abhängigkeit von den Materialien nach [50]

Fördergut Asche, Schlacke Kies Ton, feuchter Lehm Mergel Sand Zement Mörtel

Verschiebewiderstandsbeiwert X[-] 3 3 2 2 3 2 3

Schüttdichte Ps ft/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

Die theoretische Antriebsleistung der Förderschnecke PA [kW] und das Drehmoment des Schneckenantriebs MD [kNm] für Förderschnecken ergeben sich zu: PA

[kW]

= FBxv = MDxoo

v = s., xn

[m/h]

co == 2x7txn

[1/h]

M IVIQ PA FB

v MD 00

F B xv co

.

^/*v

v U ö P A L A Ai i 11

—.

n

theoretische Antriebsleistung der Förderschnecke erforderliche Schneckenkraft Fördergeschwindigkeit Drehmoment des Schneckenantriebs Winkelgeschwindigkeit

166

FkNml

[kW] [kN] [m/h] [kNm] [1/h]

Schneckenförderung n Si

ß

L X 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 [kW] PM PA TIM

Motorleistung des Schneckenantriebs theoretische Antriebsleistung der Förderschnecke Wirkungsgrad des Motors

167

[kW] [kW] [-]

5

Tunnelbaugeräte Tunnelbohrmaschinen Teilschnittmaschinen Bohrmaschinen Bohr- und Sprengarbeiten Lüftungsaggregate

Tunnelbohrmaschine 5.1 Tunnelbohrmaschine [2] Die Penetration (Eindringtiefe) [m/h] wird durch folgende Faktoren bestimmt [48]: Klüftung des Gesteins Lage der Klüfte Gesteinshärte/-art Anpressdruck Meisselgrösse Nettovortriebsleistung I [m/h] (Nettopenetrationsleistung) l= k o x L x L x mx S

M

b

[m/h]

L

1 0 0 Q

J

I ks

Nettovortriebsleistung (Penetration) Kluftfaktor

[m/h] [-]

kM ib m

Einflussfaktor der Meisselgrösse max. Penetration pro Bohrkopfumdrehung Anzahl der Bohrkopfumdrehungen pro Minute

[-] [mm/U] [U/min]

Daraus ergibt sich die Grundabbauleistung Qo [fm 7h] ^

(i

,

A

1v A

i

TTXD2

3

Ffm /hl /nj

1v 4

170

Tunnelbohrmaschine Die Nutzabbauleistung QN [fm3/h] beträgt somit

D A Qo

Tunnelausbruchdurchmesser Tunnelausbruchfläche Grundabbauleistung NutzVDauerabbauleistung QN fi;f 2 ;i f3 nicht massgebend Meisselzustand U VerfügbarkeitsVGerätezustandsfaktor f5 Abbaubarkeitsfaktor (berücksichtigt im DRI) ki Leistungseinflussfaktor k2 Betriebsbeiwert k3 Geräteausnutzungsgrad (einschliesslich Umsetzen TlQ der Maschine nach jedem Bohrhub) Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Tl2

[m] [m2] [fm3/h] [fm3/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

Der Lösefaktor bei Fels beträgt: a

_ Felsvolumenfest _ Q Felsvolumengeiöst

6

d.h. das Volumen des gelösten Felses erhöht sich gegenüber dem Volumen des ungelösten Felses um das ca. 1/0.6fache = 1.7fache Volumen.

171

Tunnelbohrmaschine Kluftfaktor ks [-] Die Klüfte und Spalten werden in Klassen eingeteilt [48]: 0 1 II III IV

keine Bruchzonen vorhanden einzelne Klüfte vorhanden mehrere Klüfte vorhanden viele Klüfte vorhanden sehr viele Klüfte vorhanden, Störzone

Abstand Abstand Abstand Abstand

ca. 40 cm ca. 20 cm ca. 10 cm ca. 5 cm

Ebenfalls einen Einfluss auf den Kluftfaktor hat der Winkel ß zwischen der Tunnelachse und der Kluftfläche.

4.

-IV

60 80 40 Winkel ß [°] Bild 5-1: Einfluss des Winkels ß [°] zwischen der Tunnelachse und den Kluftflächen auf den Kluftfaktor ks [-] [48] 0

20

172

Tunnelbohrmaschine Die maximale Penetration ib [mm/U] ist von der Bohrbarkeit (Drilling Rate Index DRI) des Gesteins und dem Anpressdruck pro Disk abhängig [48]. Die Bohrbarkeit DRI [-] wird aus den unten stehenden Diagrammen herausgelesen.

E 300

E 300

hornblendogreis* LL

"JJ1 200

200

Kalkstein*

<5 100

GrJnSjtein

%

Gi)ün^ch|efer

-g

2

Q

20

40

60

80

100

100

Mannor*

Kclkschiiifer

5

20

120

40

60

80

100

120

DRI

DRI

linkpmiger Gianit

grpbkprniger Gianit

fgieis

3uarzit

E 300 ^ 200 .•=

Saidstein

1» 100

S o 3

Schluflmergel

Q 0

20

40

60

80

100

120

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]

173

Tunnelbohrmaschine Anpresskraft pro Disk Fj [kN] [kN] [kN]

F A = Fvorschub " FZR

[kN] [kN] [kN] [kN] [-]

Durchschnittliche Anpresskraft pro Disk Effektive Anpresskraft des Bohrkopfes Vorschubpressenkräfte Reibungskräfte am Bohrkopfmantel Anzahl der Disken am Bohrkopf

FZR

n

Zur Ermittlung der erforderlichen Gripperspannkräfte siehe [2].

FZR

.

3R

1 /

^

1

Fvs sp

^

/ / /

. '

\ \

\\ \\\

\ '"vorschut

V

Fversp

\

^

1

FGR

|

Verspannkraft der Gripper Reibungskräfte der Gripper

Bild 5-3: Kräfte beim Einsatz einer Tunnelbohrmaschine

174

[kN] [kN]

Tunnelbohrmaschine 290 270 250 230 300 280 260 240 220 210 200 190 180

^

170

-*:

160

Q o

150

LL~

140

ro

Q.

130

120 110 100 90 80

10

30

DRI

50

70

Bild 5-4: Diagramm zur Bestimmung der maximalen Penetration i b [48]

175

|

(D

Q.

<

Tunnelbohrmaschine Einflussfaktor der Meisselgrösse kM [-]

1 mn -

|

\

1 r\Kr\ I .UOU

•

1 nnn I .UUU

•

0.950 -

12.0

13.0

14.0

15.0

16.0

17.0

Meisselgrösse ["] Bild 5-5: Einflussfaktor der Meisselgrösse [48]

Maximale Bohrkopfumdrehungen für Diskenabrollgeschwindigkeit von v = 110 m/min [2]:

Tunneldurchmesser D [m]

Bild 5-6: Maximale Bohrkopfumdrehungen m für die Diskenabrollgeschwindigkeit v = 110 m/min

176

Teilschnittmaschine 5.2 Teilschnittmaschine [2] Nutzabbauleistung QN [fm3/h] Q N ~~ ^o xk s xk 2 xk 3 xr)G

[fm3/h]

k<; = kc xk p k;»=f 4 xf 5

[-] [-] [-]

kcs =TliXri 2 QN

Qo fi;f 2 ;

U

f5 kc kP ks k2 k3

ri2

Nutzabbauleistung [fm3/h] mittlere Grundabbauleistung, enthält Schwenkwinkel- [fm3/h] faktor (Bestreichen der Ortsbrust von einem Punkt) nicht massgebend Meisselzustand Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Zähigkeitsfaktor Schichtabstandsfaktor Schrämbarkeitsfaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad (einschliesslich Umsetzen der Maschine an der Ortsbrust) Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen

177

Te ilsc hnittm asc hine 140

co

-w\\ -\ \

o

o

300 kW

auleis

/

•

-

200 kW

\ \ \ V \

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C

\

\

a c

Mittlere Grunda

Antri ^bsleistu ngam Schneidkt >pf

N

100 kW

y ' — -—- —.

—^ —

——

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Einaxiale Druckfestigkeit [MPa] Bild 5-7: Diagramm zur überschlägigen Ermittlung der mittleren Grundabbauleistung Qo von TSM

Bild 5-7 zeigt die mittlere Grundabbauleistung von Teilschnittmaschinen a!s Funktion der einaxialen Druckfestigkeit und der Antriebsleistung am Schrämkopf. Die Zugfestigkeit CTZ des Gesteins wird durch den Zähigkeitsfaktor kc berücksichtigt.

178

Teilschnittmaschine - Längs>schneid
ü

*

0.9 0.8

> -

o

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0.7 0.6

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1.2

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1.3

12 13 14 15 16 17 18

f

19 20 21 22

od = einaxiale Druckfestigkeit oz = Zugfestigkeit Bild 5-8: Zähigkeitsfaktor kc [-] - Einfluss des Spannungsverhältnisses Od/az [49]

2.8 2.6 2.4 2.2 -^ 2.0 •*•

1.8

1.6 1.4 1.2 VTTTrm-T-r- -~

1.0 10

15

20

25

Schichtabstand [cm] Bild 5-9: Schichtabstandsfaktor kP [-] [49]: 179

30

35

Teilschnittmaschine CAI = Cerchar Abrasivitäts-Index

o

CD CO

0.01

=

0.001 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 QN TA

= v m x Q N x TA

[n] [n/fm3] [fm3/h] [h]

Meisselverbrauch Nutzabbauleistung Arbeitsstunden pro Tag

Gesamtmeisselverbrauch über die Einsatzzeit NET [n] [n] v mi i

Meisselverbrauch im Bereich i Bereich mit unterschiedlichem CAI und a d Ausbruchvolumen im Bereich i

180

[n/fm 3 ] [-] [fm 3 ]

TeilschnJttmaschine

[kW]

Optimale Abstimmung: Schrämleistung - Maschinengewicht [2]:

•

300

•

^

"5. iräml'

o

250

o

E 200 -

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40

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80

100

Maschinengewicht [t] Bild 5-11: Optimierung Schrämleistung (Schneidkopfantrieb) und Maschinengewicht

181

120

Bohrmaschinen 5.3 Bohrmaschinen Grundpenetration vBOhr,o [m/min]

[m/min]

V

Bohr,0 - 'b X k s Xk|VI x k B s

Nutzpenetration vBOhr,N [m/min]

Vßohr.O Ib

ks kM kBS Vßohr.N

k2 k3 fi;f2;f3

U

u

r)2 11G

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

182

Bohrmaschinen

II p

«=d~^

= 90' - Winkel zur Schieferung [

= 45°

45 , . rauhe Schichtflächen 30

0.4 ^ - glatte Schichtflächen 15

0.2 0.0

Bild 5-12: Faktor ks [-] - Einfluss der Anisotropie bei geschieferten Gebirgen nach [50] ZuBild5-12: 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 0 [mm] Anzahl der Bohrstifte [-] Abminderungsfaktor kM [-]

45

64

128

6 bzw. 9

12

22

1

0.8-0.6

0.4-0.6

183

Bohrmaschinen Tabelle 5-2: Faktor kBS [-] zur Berücksichtigung der Art der Bohrstifte nach [50] Faktor kesH

Stiftform ballistisch

1.0

sphärisch

0.85

Tabelle 5-3: Praxiswerte f i r die Penetrationsrate ib [m'min] in Abhängigkeit von der Gesteinsa rt und der einaxialen Druckfestigkeitnach [51] Drehschlagbohrmaschi ne: Leistung 20 kW, z.B. Atlas Copco COFD 1838 einaxiale Druckfestigkeit

Gesteinsart

typische Penetrationsrate

CTC [N/mm2]

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)

4 0 * - 150

3.0-4.0

* Anmerkung: Gebirge mit toni gen Anteilen führt beim Bohren z u Leistungsminderungen durch Verkleben / Vers topfen der Spülöffnungen der Bohr
Tabelle 5-4: Trendbeziehung Bohrbarkeit - Bohrgeschwindigkeit - Bohrkronenverbrauch nach [52] GruncJpenetration Bohrbarkeit

Bezeichnung

Verschle ss / Standzeit

Vßohr.O

[m/min]

Bezeichnung sehr gering

'stand

[Bohrmeter/Krone]* >2500

leicht

sehr hoch

normal

hoch

3-4

qerinq

1500-2500

schwer

mittel

2-3

mittel

1000-1500

sehr schwer

gering

1 -2

hoch

500-1000

extrem schwer

sehr gerinq

<1

sehr hoch

200- 500

extrem schwer

sehr gering

<1

extrem hoch

>4

< 200

* bezogen auf S1iftkronen mit Bohr kronendurchmesser zwis chen 43 und 48 m m, hauptsächlich 45 mm

184

Sprengen 5.4 Bohren und Sprengen einer Ortsbrust [2] Gesamte Bohrzeit TB [min] [min] nXl

X 'B

n

B

XV

B

, '

Bohr,N

r

nB

vA At ^'Vermess

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 AtVermess = 0)

/ , lB

n IB

nB Vßohr.N

Wermess Atvermess

r»-«!»-ti

[mmj [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] T

L

nA qA

nxl

n

e

[min]

Anzahl der Arbeiter Ladeleistung pro Arbeiter ( 1 - 2 m/min)

185

[] [m/min]

Sprengen Verdrahtungszeit T v [min] [min]

T v — n x tVerd Tv Werd

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: • Der Bohrjumbo bohrt Sprenglöcher auf der linken Hälfte der Ortsbrust. • Das Ankerbohrgerät setzt auf der rechten Tunnelgewölbeseite Anker. Zwischenphase: Gerätewechsel 2. Phase: • Der Bohrjumbo bohrt Sprenglöcher auf der rechten Hälfte der Ortsbrust. • Das Ankerbohrgerät setzt auf der linken Tunnelgewölbeseite Anker. • Vom Ankerbohrgerät wird mittels Ladekorb auf der linken Ortsbrusthälfte patronierter oder Emulsionssprengstoff geladen. • Anschliessend folgt auf der linken Ortsbrusthälfte die Verdrahtung der Sprengladungen. 186

Sprengen 3. Phase: • Laden der rechten Seite der Ortsbrust vom Ladekorb des Bohrjumbos • Anschliessend folgt auf der rechten Ortsbrusthälfte die Verdrahtung der Sprengladungen. • Rückziehen des Bohrjumbos 4. Phase: • Prüfen und Zünden der Ladungen 5. Phase: • Lüften Des Weiteren folgt das Profilieren des Querschnitts nach dem Sprengen und das anschliessende Schuttern. Linke Seite:

Sprenglöcher -einrichten - bohren

Rechte Seite: Sprenglöcher - einrichten/umsetzen - bohren Linke Seite:

- Umsetzen - Anker setzen

Rechte Seite: - Einrichten - Anker setzen Linke Seite:

TA,,

-Laden - Verdrahten

Rechte Seite: -Laden - Verdrahten Prufen und Zunden Lüften

Bild 5-13: Zeitlicher Ablauf eines parallel verlaufenden Sprengvortriebszyklus

Sprenglöcher

Bild 5-14: Parallel verlaufender Vortrieb

187

Lüftung 5.5 Lüftung [2] Bestimmung der Luftmengen nach SUVA [54] bzw. TBG [55], [56]: • Dauernde Bereitstellung von Atemluft mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 20 Vol.-%. • Die Anteile der gesundheitsschädlichen Staube und Gase dürfen die MAK-Werte (maximale Arbeitsplatzkonzentration) nicht übersteigen. Abbau durch Sprengen: • Aufnahme der Arbeit an der Sprengstelle nach frühestens 15 Minuten Lüftungszeit. • 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). • 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 • Für jede unter Tag beschäftigte Person sind 1.5 m3 Frischluft pro Minute zuzuführen. • 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). Für den häufigsten Fall einer Lutte, die immer mit Luttenelementen von gleich grossem Durchmesser verlängert wird, 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.

188

Lüftung 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. Erklärung zu den nachfolgenden Diagrammen: Gegeben sind die Grössen • • • •

Güte der Lutte (S; A; B) Länge der Lutte (L) Durchmesser der Lutte (d) Lage des Luttenabschnittes im Lüftungssystem, ausgedrückt durch den statischen Druck p0 am Luttenende • Luftmenge Qo am Abschnittsende Herausgelesen werden • die Luftmenge Qi am Abschnittsanfang relativ zu Qo am Abschnittsende • der statische Überdruck pi in der Lutte beim Ventilator am Abschnittsanfang

189

Lüftung Berechnung der erforderlichen Ventilationsleistung: Kontinuitätsgleichung: [m 3 /s]

AQ^f 0 , u, p) Q-i Qo AQ (f°, u, p) f°(S; A; B)

Erforderliche Ventilatorsaugleistung Erforderliche Luftmenge am Luttenende Leckverlustmenge in Abhängigkeit von f°, u, p Undichtigkeit der Lutte (Klassen S, A und B [57])

[m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [mnfVm 2 ]

Der Gesamtdruck am Ventilator pVent [Pa] ergibt sich aus der Bernoulli'schen Gleichung [57]:

Pvent

Gesamtdruck am Ventilator (vor Punkt 1)

[Pa]

P

Dynamischer Druck am Luttenanfang

[Pa]

2

- uf Uo Ui

Po P1

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]

PU2

Dynamischer Druck am Luttenende

[Pa]

Ap(^ L/d,f°,Ui)

Druckverlust entlang der Lutte Gemittelter Rohrreibungskoeffizient der Lutte Luttenquerschnitt Durchmesser der Lutte Luttenlänge

[Pa]

l d L

190

[-] [m 2 ] [m] [ml

Lüftung Die Berechnung von Qi und p^ mit Hilfe der Diagramme wird wie folgt durchgeführt: Ventilatorleistung Q, [m3 > L

Po . . f o ( S P 2' d'

n0

[.2 °

Qo

J

[m3/s]

Qi = (DXQO d2xn 4

A

A

L

Fm2l

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C

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[m/s]

_< /

[m/s]

Statis cher Dru<;k am Veiitilator Pi [Pa] Po . L . f

TT —

-n

Pi

2U° Pi ~ r

T P,,2

P1 — P

Derzula ssige Luttendruck darf nicht übersch ritten werden.

rn„n

zulässig er Luttendruck

[Pa]

[Paj

Mittels der Parameter U1 und p^ 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 Lj bei konstantem Qo. Die Luttenkennlinie wird in die jeweilige Ventilator-Drosselkurve eingetragen, utn das optimale Gerät in Abhängigkeit seiner 191

Lüftung Umdrehungszahl mit den optimalen Betriebsbedingungen für die verschiedenen Bauabschnittslängen U zu ermitteln (siehe analog Pumpen-Rohrleitungskennlinie bei der Flüssigkeitsförderung in Kapitel 4). Aus der Luttenkennlinie bestimmt man ^Qmax.pmaxj _ f(|_™*nel) zur Dimensionierung der maximalen elektrischen Anschlussleistung des Ventilators.

[U/rrlin]

n

i

n2

n

i

1

l\

1

1

-_ü[ % ]

m

\ / •S/

Leistungske des Venti

— Luttenkennlinie Tunnelanfang L^

Tunnelende LT >•

Bild 5-15: Dimensionierung des Ventilators

Elektrische Anschlussleistung des Ventilators N [kW]

^lvent TiMotor

Ventilatorwirkungsgrad Motorenwirkungsgrad

192

Lüftung Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse S: f°(S) = 5 x 10"6 mm2/m2 = 5 m m V

X = 0.015

-

K T T ) PI ° I UI

Unterdruck

p- p, O, u,

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Überdruck

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1500 2000

3000 4000 5 3200

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Bild 5-16: Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse S

193

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Lüftung Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse A: f°(A) = 10 x 10"6 mm2/m2 = 10 mm2/m2

X = 0.018

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Bild 5-17: Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse A 194

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Lüftung Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse B: f°(B) = 20 x 10"6 mm2/m2 = 20 mm2/m2

X = 0.024

I p, Q, u,

Unterdruck

p, Q, u,

ik

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Überdruck

Po Q o u o

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Q1 Q0

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Bild 5-18: Berechnungsdiagramm [57] für Lutten der Güteklasse B 195

9 10'OOQ

6 Spezialtiefbau Jetgrouting Rammen

r

Jetgrouting 6.1 Jetgrouting

Die Strahlenergie E [J] des Düsenstrahls repräsentiert die Schneidkraft eines Flüssigkeitsstrahls und beträgt [2]: [J] E m v

Strahlenergie lnjektionsmedium-/suspension Strahlgeschwindigkeit

[J] [kg] [m/s]

Folgende Beziehungen gelten für den Kontrollbereich des Injektionsdüsenkopfs: Kontinuitätsgleichung: v G x A G =v D ü a u s x A Düaus vG AG v

Dü,aus

ADü.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 Ap [kN/m2] in der Düse [kN/m2]

Ap £ p

Druckverlust in der Düse Düsenabhängiger Verlustbeiwert Dichte der Injektionssuspension

198

[kN/m2] [-] [kg/m3]

Jetgrouting Bernoulli:

P 0 + f xv|=P

D Ü , a u s +|x

/

••

X

(1

+Q [kN/m 2]

G

Du.aus ' s

Fm/Ql

Du ,a

.

pG Injektionsdruck im Bohrgestänge Püü.aus Injektionsdruck am Düsenaustritt ß Querschnittsverhältnis aus ADü_aus und AG

[kN/m2] [kN/m2] [-]

Somit beträgt die Düsenstrahlaustrittsgeschwindigkeit vDü,aus [ m / s ] : v

2 Dü,aus

,l

ß2 ) '

C1 + t

^Dü,aus

oc = — — xx

v I Av /(n \VG -\l

Püu.aus /

n ) rDü.aus/

ß = Apü'aus

L ^

AADQ , aus VV1 + C - ß

oc

[m/s]

Düsenkorrekturfaktor

[-]

Austrittsmenge an Injektionsgut QSusPension [m 3 /s] ~T

x

^

x V

[m

Dü,aus

Injektionsvolumenstrom am Austritt Düsendurchmesser

199

[m3/s] [m]

Jetgrouting Pum Dendruck - manorrletrischer Dru ck CL Q.

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Pumpen

W Q.

Suspensions- Saugleitung behälter

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Bohrc estänge

Zuleitun g

Q.

Dü,aus

Düse

Drücke

Druckleitung

Ach ung: hge d kann ve rnac!" lässigt vverden Bohrgestänge ^ ^

£ (fl

10 - 20 m

/-Behälte

1

1 ^y

-

/-Pumpe J

1

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/ ^77771

Injektions bereich—~~^

10 - 20 m

:

,

Bild 6-1: Ermittlung des erforderlichen manometrischen Pumpendrucks

200

Jetgrouting Saugleitungsdruck p s [kN/m2] PS = P o + A P B + A P s + A P p e

kN/m2

Qsuspension =

[m 3 /s]

A

s

XV

S

[kN/m 2 ]

Ps

Druck in der Saugleitung

Po

Druck im Suspensionskessel (meist atmosphärisch) [kN/m 2 ]

Ape

Druckverlust a m Austritt aus d e m Behälter

[kN/m 2 ]

Aps

Druckverlust in der Saugleitung (siehe „Flüssigkeitsförderung")

[kN/m 2 ]

Appe

Druckverlust beim Eintritt in die P u m p e

[kN/m 2 ]

A

s

Querschnitt der Saugleitung

[m 2 ]

v

s

Geschwindigkeit in der Saugleitung

[m/s]

Druckleitungsdruck p D [kN/m 2 ] f PD = Ap P a -f-Ap U g e s +Ap L / G +Ap G - A p G K

+ Ap DÜ

+

^*Suspension = A G X V G = A D ü a u s XV D Q _ "Dü.aus ö

As

[kN/m2]

P 2 "^ VDü,aus + PDü.aus

A

"Dü.aus'

U

L

,aus

— AL x v L

DÜ,aus A ' 'Dü.aus'

V

G -

= A s xv s

[m3/s]

"Dü.aus v A Dü,aus> A G

PD

Druck in der Druckleitung

[kN/m 2 ]

Appa

Druckverlust beim Austritt aus der P u m p e

[kN/m 2 ]

ApL,ges

Druckverlust in der Zuleitung von der P u m p e z u m

[kN/m 2 ]

Bohrgestänge (siehe „Flüssigkeitsförderung") APLVG

Übergangsverlust Zuleitung - Bohrgestänge

[kN/m 2 ]

Apo

Druckverlust im Injektionsgestänge (siehe Kapitel „Flüssigkeitsförderung")

[kN/m 2 ]

ApGK

Druckverlust durch die Strahlumlenkung (90°) a m Fusspunkt des Gestänges in die Düse

[kN/m 2 ]

Ap D ü

Druckverlust durch Querschnittsänderung in der Düse

[kN/m 2 ]

Austrittsdruck aus der Düse im Bohrloch

[kN/m 2 ]

201

Jetgrouting V

L

Querschnitt in der Zuleitung

[m 2 ]

Geschwindigkeit in der Zuleitung

[m/s]

Pumpendruck - manometrischer Druck p M [kN/m 2 ]

Ap L,ges=ApL

+ P v 2 f 'A"Dü.aus V V" v

' p Du,aus| v

L

y

1

[kN/m2]

i

[kN/m2]

PM = P S + P D

= p0 + Ap s + Ap L +A PG

PM

VA

V

+ Püü.aus +

4-T \ +1 "Dü.aus 1 [ *• V3B + 4>Pe/ +

, AL J t U

| "Dü.aus 1 (T

P 2 \l < ~ p vDü,aus -4-

{ AS J

, ( ^Dü,aus

nr r ) h 1 V=L/G ^ G < + +

i

l

J •

T \ Du •

PM

ApL

CGK

SDÜ

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 PFF der Suspension siehe Flüssigkeitsförderung von Flüssigkeits-Feststoff-Gemischen in Kapitel 4.

202

1t

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.

4 100 600 4000

bar bar bar bar

Die Hochdruckinjektion muss auf folgende Bodenparameter eingestellt werden: • • • •

Druckfestigkeit, E-Modul Kohäsion, Scherfestigkeit Kornverteilung, Kornaufbau Permeabilität, Wassersättigungsgrad

Daraus werden die folgenden Düsenstrahlparameter ermittelt [2]: • • • • • •

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: • der Strahlaustrittsgeschwindigkeit • der Festigkeit des zu erodierenden Bodens • dem Entspannungsdruck des abfliessenden Rückflussmaterials

203

r

Jetgrouting

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]: • • • • •

Wasser-Zementfaktor W/Z = 0 . 4 - 1 . 0 Zement und Füller 600 - 1000 I Rohdichte der Injektionssuspension p = 1.5 - 1.7 t/m 3 Rohdichte der fertigen Injektionsbodensäule psoiiorete = 1.6 - 2.1 t/m3 Druckfestigkeit der fertigen Injektionsbodensäule fsoilcrete = 2 - 1 5 N / m m 2

Der Durchmesser einer Säule kann empirisch wie folgt bestimmt werden: Das Volumen des ausgespülten Bodens entspricht der Durchflussmenge der Rückspülflüssigkeit QRückiauf [m3/s] _

(PRÜcklauf ~ P s )

Y(Q

)

Das Volumen des ausgespülten Bodens beim Triplex-Verfahren ergibt sich aus der Berücksichtigung der eingebrachten Volumina von Wasser und Injektionssuspension wie folgt: Q w

_ iPRÜcklauf ~ Ps+W) xy (Q

Rücklauf ~7

\ vPßoden ~ PRücklauf /

l^Suspension

+(

Q

)

°<Wasserj

Die mittlere Rohdichte ps+w [t/m3] der beim Triplex-Verfahren eingebrachten Flüssigkeiten (Wasser und Suspension) ergibt sich zu: ( Q w X p w +QsuspensionXPs j Ps+w = TQ Suspension

204

Jetgrouting Ziehgeschwindigkeit und Injektionssäulendurchmesser ispension

*-*Suspension

~ Qlnjektion + QRücklauf

Qlnjektion

=

n ^lnjektion

Qsuspension "" QRücklauf

p.

^äuspension

vA

N V

PRücklauf ~PS

'

Pßoden ~ PRücklauf )

Vinjektion

=

«Injektion

= Vinjektion X V z i e h e n

Veoden X TIFÜII

Vßoden

X

4

Bild 6-2: Erstellung einer Säule

Ziehgeschwindigkeit vZiehen [m/s] O ^«Injektion Ziehen "

^Suspension

i D

''lnjektion

2

pRücklauf

•1

Ps

Pßoden "" pRücklauf J

rm/^l

T L

Injektionssäulendurchmesser D [m] O

^"Suspension

D -

-fi

i

PRÜO

dauf

Ps

1

pBoden ~ pRücklauf

V Ziehen ',-xri

=

üll

Durchflussmenge der Rückspülflüssigkeit [m3/s] Durchflussmenge der Suspension (Gesamtmenge) [m3/s] 205

Jetgrouting

ps pw T|FQII

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

206

[m3/s] [m3/s] [t/m3] [t/m3] [t/m3] [t/m3] [m/s] [%] [ntVm] [m3/m]

Rammen 6.2 Rammen Grundrammleistung für Pfähle Qo [m/h] Q

- A ' s ' m x nGerät ° ~ 100

Qo Als,m nGerat

[m/h]

Grundrammleistung für Pfähle mittlere Eindringtiefe pro Schlag Schläge pro Stunde

[m/h] [cm]

Nutzrammleistung QN [m/h]

QN=Qoxk1xk2xk3xTlG

[m/h]

k1=1

[-]

H

Q — I 1 1 -"• ' l 9

QN

Qo ki

k2 k3 •Hi

fs

Nutzrammleistung Grundrammleistung für Pfähle nicht massgebend Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad

207

[ni/h] [nn/h; [[[[[[[-

Rammen Schlagrammen Ermittlung der erforderlichen Schlagenergie Eerf [kNm] [59] ^vorh

= mB xgxh dyn X (

[kNm]

SW +

2

r|Rx100 Fsta, ( x) = A s x q s + A M ( X ) X T M = A s x q s + U x x x x M F ^erf

p r dyn A

A

elast

'IR

E vorh mB g h E eri Fdyn Als x Aeiast T) R F stat As qs AM xM U p,dyn L EP k mP

FkNml [kN] FkNl

M-dyn

p

v

^dyn X p C P

. S

xrt

mB + k 2 x m P mB + m P

F-l LJ

Energie des Rammbärs pro Schlag [kNm] Fallmasse des Rammbärs [t] Erdbeschleunigung [m/s 2 ] Fallhöhe des Rammbärs [m] erforderliche Energie zum Einrammen des Pfahls/ [ k N m ] Rammguts dynamischer Eindringwiderstand [kN] bleibende Eindringtiefe pro Rammschlag [cm] Tiefe der Pfahl-/Rammgutspitze [m] elastische Deformation des Pfahls/Rammguts [cm] Wirkungsgrad des Rammstosses [0.1 - 0 . 5 ] [-] statischer Eindringwiderstand des Rammguts [kN] Querschnittsfläche des Pfahls/Rammguts [cm 2 ] Grundbruch-/Pfahlspitzenwiderstand [kN/cm 2 ] Mantelfläche des Pfahls/Rammguts [m 2 ] Mantelreibung (Haftreibung) d e s P f a h l s / R a m m g u t s [kN/m 2 ] Umfang des Pfahls/Rammguts [m] Widerstandsbeiwert des B o d e n s [-] Pfahllänge/Rammgutlänge [cm] Elastizitätsmodul des Pfahls/Rammguts [kN/cm 2 ] Stossziffer [-] Pfahl-/Rammgutmasse [t] 208

Rammen Selektion der Schlagramme durch Iteration Bedingung für die Ermittlung der erforderlichen Schlagenergie bei der Endtiefe des Rammguts: AIS(L) = 0; Iteration für Gerät i = 1 bis k:

P Xmp

m B i +m P

x100

mBi+k

Xmp

mBi + m P

s

[kNm]

x100

Iterationslauf i = 1 bis k: Für i = 1: Annahme eines Rammgeräts mit der Fallmasse mB,i (Asxqs +UxLxxM)2x-

E

prf j

—

n

o

—

t p X r\c , \ \_ ^_ /S v l(m -i- m i I I Ip i ~ I I Ip I

2x|j,^ y n x(m B | + k xm p )x100

Bedingung prüfen: E

erf,i ^ E v o r h ] i=>m B .xgxh i

wenn Eerf | > Evorh | dann i = i + 1 mit Geräteparameter der nächsten Leistungsstufe m Bi+1 xh i+1 >m B i xhi bis i = k mit E

erf,k ^ E vorh,k

=mB,kX9Xhk

=> nGerät,k

i k

[f

Iterationsschritt maximale Anzahl von Iterationsschritten Schläge des Rammbärs pro Stunde

209

[-] [-] [h"1]

n-Linie Als(x)-Linie Schläge pro Stunde bleibende Eindringtiefe pro Schlag

x=0: Als(0) = 2xAI S m

x=L:

[m]

AIS(L) = O

(Gründungstiefe)

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 Eert durch Iteration der obigen Gleichungen vorgenommen werden. In einem weiteren Schritt kann nun die mittlere bleibende Eindringtiefe Al s , m pro Rammschlag ermittelt werden. Daraus kann dann die Grundrammleistung Q o 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 Al s , m bei.

210

Rammen Bestimmung der mittleren Eindringtiefe Al s , m [cm] und der Grundrammleistung Qo [m/h] E

[kNm]

— F c -erf

vorh " "

mBxgx h =

A s x<J Q

1 LJ X X X

WRjl

,

v

M-dyn

^

,

.

Al (x) i

*» C

^

^

xq s +Ux

XXT

M

P-dyn

L

2xE p x As II

2

mB +k xrn P x100 mB + m p X = 100 x m B x g x h x r i R x ( x d y n a = Ag )
ß=

Uxi M 2xE: p x Ao

i

1

\

{

Y

A II V M^dyn

-xx-x(ßxx + 2x a) y mit 0 *"" x < L

i)

xxß + a

,[cm]

^.

Als(0) = (x/a-o/y) \\ ^ \\

x

x

Vereinfaohung

AL ^ A

L

C

211

Y|

s(L)

x[m]

Rammen x = 0: l s (0) = 2xAl s , m

A

M

S

xqs >

_i_ m \

PJ

FkNml

H d y n x ( m B + k 2 x m P ) >,100

Daraus lässt sich Als,m ermitteln: Als.m

i..r

A

^vorh

;

x(mB +k 2 x m p )x100 (mB + m p )x A s x q s

q s xL

"I

[cm]

2xRd , n xE P J

Grundrammleistung Qo [m/h] Bei bekannter Schlagzahl nGerät [h'1] des Rammgeräts lässt sich die Grundrammleistung Qo berechnen: r\

Al v n ^'S.m ^"Gerät

[m/h]

100

Die mittlere Schlagzahl pro Pfahl "Pfahl

"Pfahl [•] r.i LJ

.. S,m

AI

Rammzeit TF, pro Pfahl [h] T

'R

n

Pfahl

n

Gerät

L 100xQ 0

rhi LnJ

212

4

Rammen Zeitaufwand pro Pfahl TPfah| [h] T

'Pfahl

Y7T

I

ZJ\ 'R '

,

R

üst\

[h]

-« h

60

Tp,üst = Tp ] U m + Tp ]3u f + T p a u s + T p v e r |

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

T Rüst TPum

p,veri

[h] [h] [min] [minj [min] [min] [min]

Anzahl der Pfähle pro Tag n A T [AT 1 ]

Tpfahl

nAT TAT

Anzahl der gerammten Pfähle pro Arbeitstag, ganzzahlig aufgerundet Arbeitsstunden pro Arbeitstag

[AT1] [h/AT]

Gesamtrammzeit T [AT] T = n / nAT T n

[AT] Rammzeit für alle Pfähle Gesamtanzahl Rammpfähle

[AT] [-]

Leistung über die Einsatzzeit Q ET [m/AT]

TAT n Lm Li

Arbeitsstunden pro Arbeitstag Gesamtanzahl Rammpfähle Mittlere Pfahllänge Einzelpfahllänge

213

[h/AT] [-] [m] [m]

Rammen Tabelle 6-1: Grundbruch-/Pfahlspitzenwiderstand q s [kN/cm2] und Mantelreibung xM [kN/m2] [59]

Grund DOICh-/ Pfahlspitzer iwiderstand

Mantel 'eibung

qs[kisJ/cm2]

xM[kfM/m ]

Bodenart

Rechteckprofil

2

1 - Trägerprofil

Rechteckprofil

I - Trägerprofil

Ton, weich

-

-

15

bis25

Ton, steif

-

-

30

bis45

Klei, sandig

-

-

-

bis50

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 |xDyn [-] des Bodens [58]

Widerstandsbeiwert

Beschreibung des Bodens

Moyn ["]

gut rammbar

= 1.0

mittelmässig rammbar

= 0.7

schwierig rammbar

= 0.5

Tabelle 6-3: Stossziffer k [-] nach [59]

Stossziffer k[-] = 0.6

Bär - Schlaghaube - Pfahlkopf Stahl - Stahl (ohne Schlaghaube) Stahl - Holz - Stahl

= 0.5

Stahl - Holz (ohne Schlaghaube)

= 0.4

Stahl - Holz - Stahlbeton

= 0.3

214

Rammen i .

Kraft Kompressionsenergie Schlagenergie Verbrennungsenergie Schlag- und Verbrennungsenergie

$ |

Schlag- und Verbrennungsbeginn

Verbrennungsablauf

Zeit

Pfahlzustand

Bild 6-4: Kraft-Zeit-Diagramm für Dieselbären (Explosionsrammen) [61] Grundrammleistung für Spundbohlen Qo [m 7h] Q Qo b I t

-

b X

t

r m 2/ui

' Grundrammleistung für Spundbohlen Breite der Spundbohle Einbindetiefe der Spundbohle Rammzeit pro Spundbohle

215

[m2/h] [m] [m] [h]

Rammen Nutzrammleistung QN [m2/h]

QN

Qo ki

k2 k3 ri2

fs riG

Nutzrammleistung Grundrammleistung nicht massgebend Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad

[m/h] [m/h] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

Der Berechnungsablauf zur Ermittlung von Zeitaufwand pro Pfahl Anzahl der gesetzten Spundwände pro Tag Gesamtrammzeit Leistung über die Einsatzzeit kann vom vorigen Kapitel „Rammen von Rammpfählen" übernommen werden.

216

Rammen Vibrationsrammen Prinzip der wirkenden Fliehkräfte F [kN] einer Vibrationsramme mit mehreren Unwuchten Kräfte einer Unwucht: F

i

„

i

2

Y

[kN]

r

mit co = 2 x n x f

[s 1 ] [Hz]

a = oo2 x r

[m/s2] [kN]

Pj|_i — I M j A U J

F, rrii co r f T a cp Fi,v F iH i

A I A

[kN]

U U o Ky

Fliehkraft einer Unwucht i [kN] Masse der Unwucht i [t] Kreisfrequenz der Unwucht [s"1] Abstand des Massenschwerpunktes der Unwucht i [m] von der Auflagerung Frequenz der Vibrationsramme/Unwucht [Hz] Umlaufzeit der Unwucht [s] radiale Beschleunigung [m/s2] Winkel der Unwuchtstellung [°] vertikaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden [kN] Unwucht i horizontaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden [kN] Unwucht i Bezeichnung der Unwucht i [-]

217

Rammen

H

' H

Bild 6-5: Vibrationsramme und wirkende Kräfte nach [62]

218

Rammen Dynamische Grössen der Vibrationsramme Summe der Unwuchtkräfte: n

n

F vz = Z F; v = E m i

„

x r x

i <*>

x

,

sin cp = M stat x co x sin (p

n

[kN] [tm]

n

[kN]

Gesamte vertikale Kraft des Rammbärs: [kN] 2

= m Bär x g + M stat x co x sin cp Dynamische Masse des Rammsystems: m

dyn

=

m

Bär

+

m

Rammgut +

' VY >u > i >

Boden

vv

m

[t]

Boden

[t]

/

Effektive Beschleunigung der Rammmassen: n

d

2

max

2

U) x r

i-1

IU x

m

/ 21 ms

dyn

für rj = r = const. gilt n

m

FVz Fj, v rrii H co

[m/s2] dyn

Summe der vertikalen Anteile der Fliehkräfte [kN] vertikaler Anteil der Fliehkraft einer rotierenden [kN] Unwucht i Masse der Unwucht i [t] Abstand des Massenschwerpunktes der Unwucht i [m] vom Auflager Kreisfrequenz der Vibrationsramme [s"1]

219

Rammen (p Mstat FHz FiH Fv,tot G mBär g m dyn rriRammgut m BO den cp' c' y w r 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 Unwuchtradius des dynamischen Systems effektive Beschleunigung Bezeichnung der Unwucht Anzahl der Unwuchtmassen

n = {n|n = 2xm;meN}

220

[°] [tm] [kN] [kN] [kN] [kN] [t] [m/s 2 ] [t] [t] [t] [°] [kN/m 2 ] [kN/m 3 ] [%] [m] [m/s 2 ] [-] [-]

Rammen Selektion der Vibrationsramme Erforderliche Fliehkraft FVz,erf [kN] der Vibrationsramme aus Bild 6-6:

{

I

m

1

'max''''Rammgut

I

., . ..

(qsyn x A s + x M x A M ) = > Rammbarkeit = I-HIVJ Erforderliche Mindesteigenfrequenz ajerf der Vibrationsramme aus Tabelle 6-6: coerf = f(Bodenart) Bestimmung der Vibrationsramme - Iterationsablauf i=1 bis k Iterationsschritt i: Gerätewahl i mit: Mstat,i und o> xxierf Ermittlung der vorhandenen maximalen Unwuchtkräfte mit

sin

V M stat,i

Bedingungen prüfen: F

VZ,erf ^ FVZ,i A

falls:

ra

i > «erfj

F v z ; < F v z erf A 00, > coerf;i oder Fvz,i < Fvz,erf A cii < co ert ;

oder

FVZi > FVZerf A cOj < coerf; dann nächste Iteration i=i+1 Letzte Iteration i=k falls:

FVZ]k > FVZi6rf A coj > coerfj

221

"VZ.erf

I

k Mstat.i

Erforderliche Fliehkraft der Vibrationsramme, um das Rammgut in die spezifischen Böden einzubringen (s. Bild 6-5) Eigenfrequenzbereiche der Böden bzw. erforderlicher Kreisfrequenzbereich der Vibrationsramme (s. Tabelle 6-6) Iterationsschritt Letzter Iterationsschritt Statisches Moment der Vibrationsramme i Maximale Eigenfrequenz der Vibrationsramme i (Eigenfrequenzbereich)

[kN] [min"1] [-] [-] [tm] [mirf1]

Für einen optimalen Rammvorgang sollte die Frequenz der Vibrationsramme im Bereich nahe der Eigenfrequenz des Bodens gewählt werden.

222

Rammen Fliehkraft VZ.erf [kN] OOOOO

ooooo 1 O O

5-

-1.0

10-

-2.0

15-

\

\

\ \

\

0

"©

25

\

-3.0

\

-4.0 -5.0

\

\

\

H

Cü

\

E 30H

\

\ \ \

\ LÜ

\

\

\ \

40-

\ \ IV

E E

-7.0

cc

ns

-8.0

\ \

\ \

50-

\

\

\

45-

\

6.0

\

\

-9.0

\ -10.0 -11.0

\ -12.0

Legende: Rammbarkeit

Sand- und Kieslagerung

bindige und schluffige Böden

I

leicht

locker

weich

II

mittelschwer

mittel

plastisch

III

schwer

dicht

hart

IV

sehr schwer

sehr dicht

sehr hart

Kurve

Bild 6-6: Diagramm zur Bestimmung der erforderlichen Fliehkraft Fvz.ert [61]

223

Rammen Tabelle 6-4: Eigenfrequtänzen ausgesuchter Bodenartesn nach [59 f c0 Bodenart [Hz] [mi n"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

9 8 0 0 - 10550

Schluffsand

19-20

7200-

7550

Löss trocken

23-24

8700-

9050

Funktionsweise von Vibrationsrammen: Herkömmliche und Vibrationsrammen mit variabler, computergesteuerter Fliehkraft. „Vlmn/8]

Bild 6-7: Herkömmliche Vibrationsrammen

J [mm/s]

t

r

tb

o • ^

TG

taus *•

Bild 6-8: Vibrationsrammen mit variabler Fliehkraft 224

Rammen

II» F=0%

_. - ^ _ l _ ^ . .

F v =50%

Bild 6-9: Variable Fliehkraft - Prinzip der Unwuchtstellung Legende zu Bild 6-7, Bild 6-8 und Bild 6-9: tan - Anlaufphase taus - Auslaufphase

tb - Betriebsphase; TG - Gesamtbetriebszeit

225

7 Hochbau Krane Betonanlagen Stahlbetonarbeiten

Krane 7.1 Krane Theoretische Leistung QT [t/h] und Nutzleistung QN [t/h] von Kranen Q

_( m max

1

-m o )x36OO

QN=QTxh 1

2

3

rt/hi [i/rij [t/h]

"HG

M<mmax-

[t]

k1=1

H

V

[-]

—f v f

QT QN mmax m0 M ts f2 f5 T]! r|2 k^ k2 k3 r|G

theoretische Leistung Nutzleistung/Dauerleistung zulässige Hubmasse Masse der Lasthalterung (Haken-, Betonkübelgewicht etc.) geförderte Menge (maximal: m max - m0) Grundspielzeit Hebe- und Absetzgenauigkeit Gerätezustandsfaktor Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen Ladefaktor Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad (0.5 - 0.85)

228

[t/h] [t/h] [t] [t] [t] [s]

[-

Krane Tabelle 7-1: Anhaltswerte zur Ermittlung der Grundspielzeit t s [s] nach [63]

Zeit Einheit [s/ml tH [s/cc°] tsch [s/m] tK tA [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 t s [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 t s = 240s Bild 7-1: Beispiel für eine Grundspielzeit t s [s] des Turmdrehkrans 140 EC-H6 von Liebherr

229

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 U/nf 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

230

-

Betonanlagen 7.2 Betonanlagen Betonmischer QN =

[fm3/h]

VN x n x k2 x k 3 xriG

Q o = V N xn

[fm3/h]

Qo = V . x n x k ,

[Im3/h] [Im3/h]

VN x n x k, x k , x k 3 x r i G

5 .

_1

5

1 V T\ M 12

[fm3]

Qo QN Q

Nenninhalt des Mischers 4 Volumen des mit einem Arbeitsspiel herstellbaren Frischbetons im verdichteten Zustand (Verdichtungsmass 1.45) [65] Grundmischleistung verdichteter Beton Nutzmischleistung verdichteter Beton Grundmischleistung unverdichteter Beton

Q

Nutzmischleistung unverdichteter Beton

[Im3/h]

n

Spiele pro Stunde

[h"1]

5Aj a f5

Auflockerungsfaktor = 1/a Verdichtungsfaktor Gerätezustandsfaktor

ri! ri 2 ki

Bedienungsfaktor Betriebsbedingungen im Verladebereich auf den Transporter Ladefaktor des Mischers

k2 k3 TIG

Leistungseinflussfaktor Betriebsbeiwert Geräteausnutzungsgrad

VN

231

[fm3/h] [fm3/h] [InrrVh]

Betonanlagen Anzahl der Arbeitsspiele pro Stunde n [h"1] [3]: • Trommelmischer • Zwangsmischer

<20 <30

Tabelle 7-5: Auflockerungsfaktor 5Ai [-] [66]: Bezeichnung

ÖAi 8AI

ä 1.20

steifer Beton

—

5 A2 = 1 . 1 9 - 1 . 0 8

plastischer Beton

35 - 41 cm

8A3 = 1.07 - 1.02

weicher Beton

42 - 48 cm

ÖA4~ 1

fliessfähiger Beton

49 - 60 cm

Geräteausnutzungsgrad r|G [-] TIG

Ausbreitmass

=

0.75 - 0.85 (im Mittel 0.8)

232

Betonanlagen Betonpumpen _ Q T XP 36xri w

rkwi L J

Q 0 =Q T x(p k

[m 3 /h]

QN =Ö T x(p k xk 2 xk 3 xr| G

[m 3 /h]

r

rxv v

[fm 3 /h]

Q N =Q o x — x k 2 x k 3 x r i G

[fm 3 /h]

1 k, - axcp,, = — xcp,, 5Ai

H

P Q Q Q QN p riw a

cpk f2

Pumpenleistung (Motor) theoretische, volumetrische Förderleistung - unverdichteter Beton Grundförderleistung (unverdichteter Beton unter Berücksichtigung der Kolbenfüllung) Nutzförderleistung - unverdichteter Beton Nutzförderleistung - verdichteter Beton massgebender Betondruck an der Betonpumpe Wirkungsgrad der Pumpe (~ 0.7) Verdichtungsfaktor des unverdichteten Betons a = 1 unverdichteter Beton a < 1 verdichteter Beton Kolbenfüllungsgrad Beschickung des Trichters 3/4 bis voll: f2 = 1

1/2bis3/4: f 2 =0.8

233

i

[kW] [m 3 /h]

[m 3 /h] [m 3 /h] [m 3 /h] [bar] [-] [-]

[-] [-]

Betonanlagen f3

h rii r\2 k: k2 k3 rie

Entleerungsgenauigkeit/Umsetzhäufigkeit des Beton- [-] verteilerschlauchs: Decke: f3= 1 kleine Stützen: f 3 = 0.5 - 0.7 Wände: f3=0.7-1.0 Gerätezustandsfaktor =1 [-] Bedienungsfaktor am Betonverteilerschlauch [-] (Mensch) Betriebsbedingungen am Betonverteilerschlauch [-] Ladefaktor [-] Leistungseinflussfaktor (Beschickung) [-] Betriebsbeiwert [-] Geräteausnutzungsgrad (z.B. durch effektiven Be[-] trieb 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

234

Betonanlagen

Motorleistung ausr-

Bild 7-2: Grundförderleistung Qo [m3/h] [67]

235

Stahlbetonarbeiten 7.2 Stahlbetonarbeiten

Ibetoilarbeiitei

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

bcnaien

Vorbereitung Einschalen Ausschalen Nachbehandlung Vorfertigung

Bewehren

(0

w Dsionisren

Einbau Mischen Einbringen Verdichten Oberflächenbehandlung

Bild 7-3: Einteilung der Arbeitsgänge und Tätigkeiten von Stahlbetonarbeiten

236

Stahlbetonarbeiten Schalungstechnik Gesamtstundenaufwand zum Schalen Ts,i [h] Ts.i=Z(ZaSiij)xA]+Z(aZikxZk) T s ,i aSi,j

aZk Zk j

[h]

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

[ ]

o

[h/m2] [m2] [h/LE] [LE]

Gesamtaufwand zur Schalungsvorbereitung und Demontage Ts,2 [h] Ts o - £ a v : x A T S ,2 av,i

i As

[h]

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

[h] [h/m2]

H [m 2 ]

Gesamtstundenaufwand für die Schalungsarbeiten T s [h] + T<S,2 Ts Ts,i Ts,2

[h]

Gesamtstundenaufwand für die Schalungsarbeiten Gesamtaufwand des Einschalens und Ausschalens Gesamtaufwand zur Schalungsvorbereitung/ Demontage 237

[h] [h] [h]

Stahlbetonarbeiten Bewehrungsseinbau Gesamtstundenaufwand z u m Einbau der Bewehrung auf der Baustelle für ein Bauteil oder Bauwerk T A [h] TA=ZTAiJ

[h]

Gesamtstundenaufwand für Bewehrungsarbeiten des Durchmessers j : TA, j - ( a A,b + aA,ab

+ a

A,v i i

x r

nAj+aRxAs

T A ,,=(Za A | 1 ) ] xm A i J +a R x A s

[h]

m

rtil

i

AJ

TA TA,j aA,i

mA,j aR As Ij gAj j

[h]

'

— ^

LJ

1000

Gesamtaufwand zum Einbau der Bewehrung für ein Bauteil oder Bauwerk Gesamtaufwand zum Einbau der Bewehrung 0 = 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 0 = j Aufwandswert für Reinigung der Schalung vor dem Betonieren Schalungsfläche Gesamtlänge der Bewehrung des Durchmessers 0 = j Masse der Bewehrung eines Durchmessers 0 = j pro m 0 Durchmesser der Bewehrung

[h] [h] [h/t]

[t] [h/m 2 ] [m 2 ] [m] [kg/m] [mm]

Gesamtstundenaufwand zum Einbau von Spanngliedern auf der Baustelle TSp [h] [h] Gesamtstundenaufwand für den Spanngliedereinbau des Typsj: a Tspj — (S a sp,i)j x 'sp,j + X s P , k xn

i

[h]

k

238

J»

stahlbetonarbeiten Gesamtaufwand zum Einbau der Spannglieder in ein Bauteil oder Bauwerk Gesamtaufwand zum Einbau der Spannglieder de s Typsj Aufwandswert für den Einbau der Spannglieder, Tätigkeiten: i = h: Hüllrohr und Ankerverlegen i = 1: 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

TsP T

Sp,j

a

Sp,i

'spj Sp,k

a

n

[h] [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. Form

Richtung Bauteil - Platten

flächig

- Einzel

Korb

orizo ntal

Fundamente Decken

flächig

j _

stabförmig

Unterzüge Anschlussbewehrungen für Wände, Stützen etc.

••c

>

- Teppichbewehrung - konventionell - KorbVBalkenbewehrung - 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

239

Stahlbetonarbeiten Betonarbeiten Gesamtstundenaufwand für Betonarbeiten TBet [h] •Z( a Bet,j x V Bet,j Tßet TR

^Betj VßetJ

^Betj.j

X

"Bet,i,j)

Gesamtstundenaufwand für Betonarbeiten Rüstzeit für die Betonierarbeiten (Verlegen der Pumpleitung/Kübel an Kran anhängen bzw. reinigen, Anschluss Rüttleretc.) 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

240

[h] [h] [h] [h/m3] [m3] [h/m2]

[m2]

Stahlbetonarbeiten Die Dauer der einzelnen Arbeitsvorgänge Dk [h] kann anhand der Gruppen- oder Kolonnenleistungen hergeleitet werden: Dauer der Arbeitsvorgänge:

Dk Tk mLE qGrup k n LE

Dauer der Arbeitsgänge k Gesamtstundenaufwand für die Arbeitsvorgänge k Menge der herzustellenden Leistungseinheiten 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

241

8 Faktoren Muldeninhalt Transportfahrzeuge VFSAE [m3] Nenninhalt des Grabgefässes VSAE [m3] Schüttdichte p s [t/lm3] Lösefaktor oc [fm3/lm3] Füllfaktor q> [-] Bedienungsfaktor r|i [-] Betriebsfaktor r\2 [-] Abbau-/Grabtiefenfaktor f^ [-] Schwenkwinkeleinfluss-/Fahrwegfaktor f2 [-] Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 [-] SchneideiWZahnzustandsfaktor f4 [-] Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor f5 [-] Geräteausnutzungsgrad r|G [-] Kurvenwiderstandsbeiwert w k [%o] Rollwiderstandsbeiwert wr(w) [%°]

Faktoren Uberblick 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 (s. beiliegende CD oder z.B. [6], [7]) zu erfragen.

VFSAE

VsAE

Ps a

Tl2 fi

k

h

U fs TlG

wK WR

Muldeninhalt des Fahrzeugs gemäss SAE Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE Schüttdichte Lösefaktor Füilfaktor Bedienungsfaktor Betriebsfaktor AbbauVGrabtiefenfaktor Schwenkwinkeleinfluss-/Fahrwegfaktor Entleerungsgenauigkeitsfaktor Schneiden-/Zahnzustandsfaktor Verfügbarkeits-/Gerätezustandsfaktor Geräteausnutzungsgrad Kurvenwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert

244

[Elinheit] 3 [nn ] 3 [nn ] 3 [t/'lm ] 3 3 [f Ti /lm ] [[[[[[[[[[°/»] [°/»1

Muldeninhalt des Fahrzeugs [m3]

VFSAE

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,I 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.I = 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.

245

Muldeninhalt des Fahrzeugs [m3]

V FSAE

Langsansicht

N

b,/2 !

Queransicht

b,/2

A-b, •

Gestrichene Füllung:

V F S A E , = b, x A x h

Gehäufte Füllung:

V FSAE 2 = V FSAE|1 + V H

Berechnung von V H :

2

[m3] [m3] 3

V H = ( A x b, ) / 8 - ( b ; / 2 4 )

[m3]

Bild 8-1: Muldeninhalt eines Fahrzeugs gemäss SAE-Norm [69]

246

Nenninhalt Grabgefäss [m3]

SAE

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 < 0.015 xP

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.

247

Nenninhalt Grabgefäss [m3]

SAE

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 bi b2 F VSAE

Öffnungsweite Schnittbreite Löffelbreite Innnenbreite vorn Innenbreite hinten Löffelquerschnittsfläche Nenninhalt des Tieflöffels

Bild 8-2: Geometrie eines Tieflöffels gemäss SAE-Norm [6]

v V

SAE

-F-b i+b2 2

Axbf 4

Fm3l Lm J

12

248

Nenninhalt Grabgefäss [m3]

SAE

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 b-i F y z V S AE

Öffnungsweite Schnittbreite Innenbreite Löffelquerschnittsfläche Höhe des Überlaufblechs Vorsprung der Schneidelippe Nenninhalt der Ladeschaufel

Axbf

VSAE-I-XD1+—g

b?

[m3

j^

249

Schüttdichte [t/lm 3 ]

Ps

Die Schüttdichte p s 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 ps für verschiedene Bodenarten und Schüttgüter kann Tabelle 8-1 entnommen werden. Jedoch ist dabei zu beachten, dass Schwankungen auftreten infolge • • •

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.

250

Schüttdichte [t/lm3] Tabelle 8-1: Schüttdichte ps und Lösefaktor a für diverse Bodenarten nach [7]

g o o

o o o o

T -

CD

CJ>

CM

£ < .9 c

S.E

i«

S.E

N O N O

tn co

15

11 £ o

251

c/l

Lösefaktor [fm3/lm3]

a

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 a. Er berechnet sich als Quotient aus der Schüttdichte p s des gelockerten oder losen Bodens nach dem mechanischen Lösen und der Rohdichte Pfest des gewachsenen Bodens in natürlicher Lagerung. In der Literatur wird der Lösefaktor auch als Auflockerung oder als Auflockerungsfaktor bezeichnet. [fm3/lm3] Pfest

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 oc = 1.0 für bereits lose vorkommende Schüttgüter wie z.B. Splitt bis hinunter zu a = 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.

252

Lösefaktor [fm3/lm3]

a

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 8V können Tabelle 3-7 entnommen werden. Lösefaktoren a 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:

N.fest -

v s/! ^ v ^ROn vlr ^

vl^ vU" v n

[fm /n]

Transport: QN,,ose=QN

1 fest

[Im3/h]

oc

Einbau: Q N.fest = ^ N lose x 0 v

=

QN.fest

[fm3/h]

X

oc

Beim Einsatz von Verdichtungsgeräten für den Bodeneinbau kann in vielen Fällen ein höherer Verdichtungsgrad gegenüber dem gewachsenen Zustand erzielt werden, d.h. — < 1 [6].

a

253

Füllfaktor [-] 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 (p berücksichtigt werden. Der Füllfaktor (p ist definiert als Quotient aus dem effektiven Inhalt und dem Nenninhalt des Grabgefässes gemäss SAE-Norm: 9 =

effektiver Inhalt Nenninhalt nach SAE - Norm

V J c

A B

°J

C

Füllfaktor cp = 1.2, effektiver Inhalt, z.B. bei feuchtem Ton Füllfaktor cp = 1.0, Grabgefäss gefüllt nach SAE-Norm Füllfaktor cp = 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 cp deutlich 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 (p. Ein hohes Eindringvermögen, eine hohe wirksame Ausbrechkraft sowie neue Grabzähne und Löffelschneiden führen zu einer besseren effektiven Füllung und damit zu einem höheren Füllfaktor (p. Bei neuen und daher langen Zähnen liegt das effektive Fassungsvermögen des Grabgefässes am 254

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 fj 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 cp bei Tieflöffeln nach [6] Tieflöffel Boden- und Felsklasse nach DIN 18300

1 Oberboden

Boden

Füllfaktor cp [-] Mittelwert 06

Mutterboden

1.20

3 Leicht lösbare Böden

Sand, Kies-Sand-Gemisch, erdfeucht Nassbaggerung Sand, Kies

1.05 0.80

4 Mittelschwer lösbare Böden

Bindige Böden, Lehm, Ton sandiger Lehm, erdfeucht

1.05

5 Schwer lösbare Böden

Harter Ton

0.90

:

Üllf£ ktor
li E

2 Fliessende Böden

6

Leicht lösbarer Fels und Fels, gut gesprengt vergleichbare Bodenarten Fels, grob gesprengt

0.90 0.80

I

Schwer lösbarer Fels

0.75

Fels, schichtig gelagert, Direktabbau

255

12

11

C

Füllfaktor [-]

Tabelle 8-3: Werte für den Füllfaktor

1 Oberboden

Boden

Füllfaktor

Mutterboden

1.05

3 Leicht lösbare Böden

Lehmiger Sand, lehmiger Kiessand, erdfeucht

1.05

4 Mittelschwer lösbare Böden

Bindige Böden, Lehm, Ton sandiger Lehm, erdfeucht

1.05

5 Schwer lösbare Böden

Harter Ton

1.00

r

06

Üllf äktor
2 Fliessende Böden

6

Leicht lösbarer Fels und Fels, gut gesprengt vergleichbare Bodenarten Fels, grob gesprengt

7 Schwer lösbarer Fels

0.95 0.85

Fels, schichtig gelagert, Direktabbau

c c

0.80

Tabelle 8-4: Füllfaktor cp [-] für LKW im Strassenverkehr mit VFSAE,I und LKW, Dumper und SKW im Baustellenverkehr mit VFSAE,2

Böden Strassenverkehr LKW Baustellenverkehr LKW, Dumper, SKW

Muldeninhalt

1.00-1.10

Bindige Böden Rollige Böden Bindige Böden

256

Füllfaktor cp

V

FSAE,1

VFSAE,2

0.90-1.00 1.00-1.10

12

Bedienungsfaktor [-] Bei der Ermittlung des SAE-Füllinhalts der Grab- und Ladegefässe sowie bei den angegebenen Füllfaktoren cp 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 r|i 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 rji [8] Bedienungsfaktor Vorführer geübter Fahrer (sehr gut) durchschnittlicher Fahrer ungeübter Anfänger

r\-, 1.10 1.00 0.80 0.65

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: • Externe Schulungen durch Maschinenhersteller, besonders bei neuen Geräten. Sie stellen sicher, dass die Geräte richtig benutzt und instandgehalten werden. • 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, Leistungsanerken257

Bedienungsfaktor [-] 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.

258

Betriebsfaktor [-] Im Betriebsfaktor r\2 werden die Bedingungen für den Einsatz der Geräte auf der Baustelle berücksichtigt. Die Betriebsbedingungen werden beeinflusst durch: • Optimale Abstimmung der Geräte in der Prozesskette • Wetter und Sichtverhältnisse • Zustand der Bewegungsoberfläche für die Lade- und Transportgeräte • 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 r|2

Betriebsbedingungen sehrgut gut mittel schlecht

r|2 1.00 0.95 0.85 0.70 - 0.80

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. • schlechte Sichtverhältnisse • Hindernisse in der Arbeitsumgebung, z.B. Grabenverbau, beeinträchtigt. Zusätzlich kann das Wetter starken Einfluss auf die Betriebsbedingungen haben: • 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

259

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. • 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.

260

Abbau-/Grabtiefenfaktor [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 AbbauVGrabtiefenfaktor f-i 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 Wand höhen L72J

Löffe inh alt Optimale Wandhöhe bei: Rolligem Material Schüttfähigem Material Stark bindigem Material

[m] [m] [m]

m3]

0.8

1.0

1.5

20

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 1 -

2

ussfak

ü

•

C

m.

^

—

• * - — .

0

:

n

R

-

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]

261

1.6

Abbau-/Grabtiefenfaktor [Der optimale AbbauVGrabtiefenfaktor fi 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 r\2-

262

Schwenkwinkeleinfluss-/ Fahrwegfaktor [-] Der Schwenkwinkeleinfluss-/Fahrwegfaktor f2 berücksichtigt die Abweichung vom 90°-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]

Wand oder Haufwerk

LKW

a<90° Bild 8-7: Optimaler Rad-/Raupenlader - LKW-Betrieb [5] 263

Sc hweiikwiiikelelinflu ss-/ Fa hrwe gfak tor[-

2

1 4

1.4H Q _

1

1 _

-

flussfakt

O

H O .

o

n

iu 0.8 (17

— - • — .

.

0.6-

•

i

i

i

•

i

30

•

•

•

•

•

•

•

•

i

i

i

60 90 120 Schwenkwinkel [°]

•

•

•

•

i

150

i

i

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 <90°. 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, weiche die optimale Schwenkrichtung sowie den Schwenkwinkel bzw. Fahrweg und Fahrwinkel bestimmen und damit die erzielbare Nutzleistung maxi264

Schwenkwinkeleinfluss-/ Fahrwegfaktor [-] 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].

265

Entleerungsgenauigkeitsfaktor [-]

f3

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: ,, . ..... . Volumen des Transportgeräts VFSAE Volumenverhaltnis = — = hbAb Volumen der Löffelgrösse VSAE

266

Entleerungsgenauigkeitsfaktor [-] Mit Hilfe von Bild 8-9 lässt sich nun der Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 in Abhängigkeit vom Volumenverhältnis ablesen:

1. 1 -

10.

•

0

takto

Ci

i_ n o

•

|

0) 3

/

"c f)7 -

ili

ne

.

0.50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Volumenverhältnis Bild 8-9: Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3 [72]

267

10

11

12

Schneiden-/ Zahnzustandsfaktor [-]

f4

Der Zustand der Löffelschneiden bzw. der Grabzähne beeinflusst die Leistungsfähigkeit von Löse- und Ladegeräten. Abgenutzte Baggerbzw. 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]

Schneiden-/Zahnzustandsfaktor

f4 [-]

Neuzustand mittlerer Verschleiss hoher Verschleiss

1.00 0.90 0.80

268

Verfügbarkeits-/ Gerätezustandsfaktor [-]

f5

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 1000 - 1500 1500 - 2000 2000 - 3500 3500 - 5000

Betriebsstunden Betriebsstunden Betriebsstunden Betriebsstunden 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.

269

Geräteausnutzungsgrad [-] 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 T)G [-] [5] Geräteausnutzungsgrad

r|G [-]

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.

270

Kurvenwiderstandsbeiwert [%o]

wk

Kurven-/Krümmungswiderstandsbeiwert [%o] für den einzelnen schienengebundenen Wagen [73] (massgebend hierfür ist die stärkste Krümmung der Förderstrecke!): 600 mm Schmalspur: w

370xa-167xa 2 +75 K

11

\°/ 1

•

900 mm Schmalspur: w wk

wk a K

260xa-30xa 2 + 112 .5 K

1 4

r%oi

Kurven-/Krümmungswiderstandsbeiwert Achsstand Krümmungsradius

[m] [m]

Tabelle 8-11: Richtwerte für wk [%o] [14]:

Kurvenwiderstandsbeiwert

wk[%o]

Normalspur Schmalspur

1- 6 3-10

271

Rollwiderstandsbeiwert [%o] w r(W) Rollwiderstand der inneren Lager bei Schmalspurwagen [73]: Formeln nach Engel für den einzelnen Wagen bei v = 12 km/h bei Gleitlager: 16.3 lW)

FSAE + ° .31

V

bei Wälzlager: w

5.5 (W)

VFSAE

v

w V

A

FSAE • ° "

.

. + -I 85 + 0 058 x v 2

f%ol [m3] [km/h]

Muldeninhalt Geschwindigkeit

Für den einzelnen Wagen beim Gleisbetrieb: Tabelle 8-12: Rollwiderstandsbeiwerte der Räder für einzelne Wagen beim Gleisbetrieb [14] Rollwiderstandsbeiwert

Schmalspur Schmalspur Normalspur

w r(W ) [%<>]

600 mm 900 mm 1435 mm

272

8-10 6 - 8 5 - 6

Rollwiderstandsbeiwert [%o] w r(W) Schwerkraftlastwagen: Tabelle 8-13: Rollwiderstandsbeiwerte wr[%o] für Schwerkraftlastwagen [72] Wr

Beton, Asphalt Erdstrassen

15 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

273

9 Anhang CD mit Baumaschinendaten

Auf der beiliegenden CD finden Sie die im praktischen Baubetrieb am häufigsten zur Anwendung kommenden Baugeräte mit den dazugehörigen technischen Daten in Bezug auf Geometrie, Mechanik und Leistung, die in der Angebotsphase und zur Vorbereitung einer Baustelle zumeist ausreichend sind. Diese Zusammenstellung ersetzt jedoch nicht die Baugerätelisten oder Herstellerprospekte; für detailliertere Informationen sind in jedem Fall die neuesten entwicklungsgebundenen Daten der jeweiligen Hersteller heranzuziehen. Folgende Gerätegruppen sind zu finden: Nr. 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Gerätegruppe Kompressoren Separationsanlagen Hydraulikbagger mit Radfahrwerk Hydraulikbagger mit Raupenfahrwerk Pneulader Kettenlader Planierraupen Grader und Scraper Verdichtungsgeräte Ankerbohrgeräte Mobilkrane Schnelleinsatzkrane Turmdrehkrane LKW Anhängerbrücken für den Schwertransport Dumper Pumpen Tunnelbohrmaschinen Teilschnittmaschinen Abbau- und Schuttergerät Bohrwagen Bohrmaschinen Jetgroutingmaschinen Rammgeräte Schlitzwandfräsen

Dateiname 01_Kompressoren.pdf 02_Separationsanlagen.pdf 03 Hydraulikbagger_Pneu.pdf 04_Hydraulikbagger_Raupen.pdf 05_Pneulader.pdf 06_Kettenlader.pdf 07_Planierraupen.pdf 08_Grader.pdf 09_Verdichtungsgerate.pdf 10_Ankerbohrgerate.pdf 11_Mobilkrane.pdf 12_Schnelleinsatzkrane.pdf 13_Turmdrehkrane.pdf 14_LKW.pdf 15_Schwertransporte.pdf 16_Dumper.pdf 17_Pumpen.pdf 18_Tunnelbohrmaschinen.pdf 19_Teilschnittmaschinen.pdf , 20_Schuttergerat.pdf 21_Bohrwagen.pdf 22_Boh rmasch inen. pdf 23_Jetgrouting.pdf 24_Rammgerate.pdf 25_Schlitzwande.pdf

Die Dateien enthalten die Daten zu folgenden Baugeräten und können ausgedruckt werden: 01_Kompressoren.pdf enthält folgende Kompressoren Atlas Copco XAS 36Yd, XAS 76, XAHS 285 Compair Aeberhardt AG C25, C38(G), C 130

276

O

Anhang: CD

02_Separationsanlagen.pdf enthält folgende Separationsanlagen: Kem-Tron Technologies, Inc. Zentrifuge KT -1448, K T - 1850 Kem-Tron Technologies, Inc. Kompakt Separationsanlagen Tango 350, Samba 65, Samba 130, Salsa250 Schauenburg, Separationsanlagen MAB 100, MAB 150, MAB 300, MAB 400, MAB 500 Hydrozyklone AT 13, AT 24, AT 35, AT 46, AT 58, AT 610 Multizyklone PC 50-1, PC 75-1, PC 100-1, PC 125-1, PC 150-1, PC 250-1, PC 350-1 Brandt, Zentrifugen HS-3400 VSD 03_Hydraulikbagger_Pneu.pdf enthält folgende Hydraulikbagger mit Radfahrwerk: Liebherr A 312, A 902, A 922 04_Hydraulikbagger_Raupen.pdf enthält folgende Hydraulikbagger mit Raupenfahrwerk: Liebherr R 312, R 902, R 922, R 942, R 954, R 974 B, R 994 05_Pneulader.pdf enthält folgende Pneulader: Liebherr L 506, L 508, L 512, L 522, L 541 B 06_Kettenlader.pdf enthält folgende Kettenlader: Liebherr LR 611, LR 622, LR 631 C, LR 641 07_Planierraupen.pdf enthält folgende Planierraupen: Liebherr PR 712 B, PR 732 B, PR 751 08_Grader.pdf enthält folgende Grader und Scraper: Caterpillar Grader 14 G, 16 G Caterpillar Scraper 615 C II, 631 E II 09 Verdichtungsgerate.pdf enthält folgende Verdichtungsgeräte: Bomag Stampfer BT 58, BT 68, BT 70 Bomag Einweg-Vibrationsplatten BP 10/36, BP15/45, BP 15/45D, BP 20/48, BP 23/60D Bomag reversierbare Vibrationsplatten BPR 25/32, BPR 50/55D, BPR 75/60D Bomag Einradvibrationswalze BW 71E Bomag Doppelvibrationswalzen BW 60S, BW 65S, BW 75S, BW 90S Bomag knickgelenkte Doppelvibrationswalze BW 75AD Bomag Tandem-Vibrationswalzen BW 120AD-H, BW 130AD, BW 141AD, BW 144AD, BW 151AD, BW 154AD Bomag Kombiwalzen BW 120AD-H, BW 130AD, BW 141AC, BW 144AC, BW 151AC, BW 154AC Bomag Gummiradwalzen BW 16R, BW 20R Bomag Walzenzüge BW 142D-2, BW 142PD-2, BW 142PDB-2, BW217D-2, BW 217PD-2

277

O

Anhang: CD 10_Ankerbohrgerate.pdf enthält folgende Ankerbohrgeräte: Klemm KR 806-1, KR 806-3, KR 807, KR 904 11 Mobilkrane.pdf enthält folgende Mobilkrane: Liebherr LTM 1025, LTM 1040, LTM 1060, LTM 1070, LTM 1090, LTM 1120, LTM 1160, LTM 1200 12 Schnelleinsatzkrane.pdf enthält folgende Schnelleinsatzkrane: Liebherr 26K, 32K, 42K

13_Turmdrehkrane.pdf enthält folgende Turmdrehkrane: Liebherr 30LC, 80LC, 100LC, 71EC, 91EC, 112EC-H, 180EC-H, 280EC-H 14_LKW.pdf enthält folgende LKW: MAN Frontlenker 19.414, 26.414, 33.414 MAN Frontlenker Vierachser 41.414 15_Schwertransporte.pdf enthält folgende Anhängerbrücken: Fanger Anhängerbrücken Fanger Anhängertiefgangbrücken Fanger Sattelbrücken Fanger Satteltiefgangbrücken 16_Dumper.pdf enthält folgende Dumper: Volvo A20C, A25C, A40 Euclid R32, R40, R60 Kiruna K162-16.5, K250-18, K250-21 17_Pumpen.pdf enthält folgende Pumpen Stanco AB Pumps P-10, P-40 HD, P-70 HD, P-70 ND Warmen International Ltd. GG-12137, GG-12148, DG-4137 18_Tunnelbohrmaschinen.pdf enthält folgende Tunnelbohrmaschinen: Wirth Tunnelbohrmaschinen TB 390/420, TB 450/520, TB 539MS, TB 620/780, TB 770-850E Wirth Tunnelerweiterungsmaschine TBE IV 450/1140H 19_Teilschnittmaschinen.pdf enthält folgende Teilschnittmaschinen: Alpine Miner AM45, AM50, AM65, AM75, AM80, AM85-DE 20_Schuttergerat.pdf enthält folgende Abbau- und Schuttergeräte: Schaeff ITC112E, 312H 21_Bohrwagen.pdf enthält folgenden Bohrwagen: Atlas Copco Robot Boomer 353ES Mkll

278

22_Bohrmaschinen.pdf enthält folgende Bohrmaschinen Atlas Copco COP 1238AE, COP 1440, COP 1838ME 23_Jetgrouting.pdf enthält folgendes Injektionsgerät: Casagrande PG125, PG150 24_Rammgerate.pdf enthält folgende Rammgeräte: Delmag Dieselbären D6-32, D12-32, D25-32/33, D46-32/33, D100-13 Tünkers hydraulische Vibrationsbären HVB 40.01, HVB 40.01 HF, HVB 80.01 HF, HVB 160.01 HF, HVB 200.01, HVB 260.01, HVB 400.01 Tünkers elektrische Vibrationsbären PE 2001, PE 3601, PE 5001, PE 80.01 Krupp GfT Vibrationsbären MS-10 HFvar, MS-16 HFvar, MS-24 HFvar, MS-48 HFvar Krupp GfT Baggeranbau Vibrationsbären MS-2 HFB, MS-4 HFB, MS-10 HFB, MS-17HFB 25_Schlitzwande.pdf enthält folgende Schlitzwandfräsen: BauerBC15, BC20, BC30

279

O

Anhang: CD

Für das Öffnen der CD werden folgende Systemvoraussetzungen benötigt: PC mit i486, Pentium oder Pentium Pro Prozessor Microsoft Windows 95 bzw. Windows NT 3.51 oder spätere Version 32 MB freier Arbeitsspeicher 10 MB freier Festplattenspeicher Die Dateien sind im PDF-Format auf der CD gespeichert und mit der Software „Acrobat® Reader" von Adobe® ab der Version 3.0 zu öffnen. Diese Software kann von der Homepage von Adobe® unter www.adobe.com/acrobat kostenlos über das Internet heruntergeladen werden.

280

10 Literaturverzeichnis

[I] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [II] [12] [13]

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285

11 Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis Bild 1-1: Bild 1-2: Bild 1-3:

Zeitbegriffe für Baugeräteeinsatz und -bewertung Darstellung der Schutterleistung in Abschlagszyklen Leistungsverlauf

4 14 15

Bild 2-1: Bild 2-2: Bild 2-3: Bild 2-4: Bild 2-5: Bild 2-6:

Schematische Darstellung der Leistung von Motoren Schematische Darstellung der Gesamtleistung Druckverlauf eines Druckluftsystems Gleichzeitigkeitsfaktor f3 [-] für Kompressoren Bemessungsdiagramm für Druckleitungen Darstellung einer Sieblinie j zur Erklärung der verwendeten Begriffe Beispiel einer Tunnelröhre in verschiedenen Böden Sieblinien der anfallenden Böden mit Bestimmung der Gewichtsprozente Schematische Darstellung einer vierstufigen Separationsanlage

30 31 41 44 46

Bild 2-7: Bild 2-8: Bild 2-9: 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 3-13: Bild 3-14: Bild 3-15: Bild 3-16: Bild 3-17: Bild 4-1: Bild 4-2: Bild 4-3:

Spielzeit t s eines Hydraulikbaggers Liebherr R 942 Litronic mit Tieflöffel unter optimalen technischen Bedingungen Optimaler Einsatz Bagger- LKW Ideale Tieflöffeleinsätze Spielzeit ts [s] von Baggern mit Tieflöffel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 Spielzeit t s [s] von Baggern mit Hochlöffel/Klappschaufel in verschiedenen Bodenarten in Anlehnung an die DIN 18300 Schubleistung Qo (w) [Im3/h] von Planierraupen Steigungsfaktor f3(ß) Leistungsdiagramm Qo (w; v; P; VP100) [Im3/h] für Schubraupen im Entfemungsbereich bis 50 m Klassifizierung der Reissbarkeit des Gesteins nach seismischer Geschwindigkeit Grundreissleistung Qo [fm3/h] einer Raupe mit 240 kW Leistung Fahrstrecke Förderleistungsdiagramm für Scraper, Rad- und Raupenplaniergeräte Einsatzmöglichkeit von Verdichtungsgeräten Eignung von Verdichtungsmitteln in grobkörnigem, nicht bindigem Lockergestein Eignung von Verdichtungsmittel in feinkömigem, bindigem Lockergestein Eignung von Verdichtungsmitteln in gemischtkömigem, bindigem Lockergestein Eignung von Verdichtungsmitteln in nicht bindigem Fels Theoretischer Idealfall einer Transportkette - Kreisverkehr Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange - Kreisverkehr Theoretischer Idealfall einer Transportkette - Rückstossverkehr

288

48 49 50 52 55 56 57 58 59 69 70 71 73 74 76 79 83 85 86 87 88 96 97 97

Abbildungsverzeichnis Bild 4-4: Bild 4-5: Bild 4-6: Bild 4-7: Bild 4-8: 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 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:

Realfall instationärer Zustand mit Warteschlange - Rückstossverkehr Leistung beim Ladegerät - LKW-System Korrekturfaktor fp - Einfluss des Steigungswinkels auf den Fördergutstrom Nomogramm zur Bestimmung des Widerstandsbeiwerts ^ Kreiskrümmer Kreisrohr-Kniestück Querschnittsänderung Prinzipdrucklinie Fall 1 - Pumpe mit Saugleitung Prinzipdrucklinie Fall 2 - Pumpe mit Zulaufdruck Dichteverlauf der Bentonitsuspension bei verschiedenen BentonitWasser-Konzentrationen Abhängigkeit der Froud'schen Zahl Frkrit vom mittleren Korndurchmesser d m und der Feststoff-Förderflüssigkeits-Volumenkonzentration ^iFs des zu transportierenden Korngemischs Materialfluss bei Hydroschildvortrieb H-Q-Diagramm für Pumpen- und Rohrkennlinien Schematische Darstellung eines Rechenbeispiels Schematische Darstellung der Drucklinie Fall 1 und 2 - Rohr- und Pumpenkennlinie sowie möglicher Betriebsbereich (Pumpe Warman GG 12148) Schematische Darstellung eines TVM-Tunnelvortriebs mit Förderschnecke zur Materialabfuhr Geometrie einer Förderschnecke Betrachtung eines Ausschnitts der Förderschnecke bezüglich der wirkenden Kräfte Einfluss des Winkels ß [°] zwischen der Tunnelachse und den Kluftflächen auf den Kluftfaktor ks [-] Bohrbarkeit DRI [-] Kräfte beim Einsatz einerTunnelbohrmaschine Diagramm zur Bestimmung der maximalen Penetration ib Einflussfaktorder Meisselgrösse Maximale Bohrkopfumdrehungen m für die Diskenabrollgeschwindigkeit von v = 110 m/min Diagramm zur überschlägigen Ermittlung der mittleren Grundabbauleistung Q0von TSM Zähigkeitsfaktor kc [-] - Einfluss des Spannungsverhältnisses Od/az

Schichtabstandsfaktor kP [-] Meisselverbrauch Optimierung Schrämleistung (Schneidkopfantrieb) und Maschinengewicht Faktor ks [ - ] - Einfluss der Anisotropie bei geschieferten Gebirgen Zeitlicher Ablauf eines parallel verlaufenden Sprengvortriebszyklus Parallel verlaufender Vortrieb

289

98 99 120 127 128 129 130 131 132 136 139 140 142 147 148 160 161 162 165 172 173 174 175 176 176 178 179

179 180 181 183 187 187

Abbildungsverzeichnis Bild 5-15: Bild 5-16: Bild 5-17: Bild 5-18:

Dimensionierung des Ventilators Berechnungsdiagramm für Lutten der Güteklasse S Berechnungsdiagramm für Lutten der Güteklasse A Berechnungsdiagramm für Lutten der Güteklasse B

192 193 194 195

Bild 6-1: Bild 6-2: Bild 6-3:

Ermittlung des erforderlichen manometrischen Pumpendrucks Erstellung einer Säule Schematische Darstellung der ideellen/statischen Eindringung desPfahls Kraft-Zeit-Diagramm für Dieselbären (Explosionsrammen) Vibrationsramme und wirkende Kräfte Diagramm zur Bestimmung der erforderlichen Fliehkraft Fvz.erf Herkömmliche Vibrationsrammen Vibrationsrammen mit variabler Fliehkraft Variable Fliehkraft - Prinzip der Unwuchtstellung

200 205

Bild 6-4: Bild 6-5: Bild 6-6: Bild 6-7: Bild 6-8: Bild 6-9: Bild 7-1:

210 215 218 223 224 224 225

Bild 7-4:

Beispiel für eine Grundspielzeit t s des Turmdrehkranes 140 EC-H6 von Liebherr Grundförderleistung Qo [m3/h] Einteilung der Arbeitsgänge und Tätigkeiten von Stahlbetonarbeiten Systematische Untergliederung von Armierungsarten

236 239

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 Geometrie eines Tieflöffels gemäss SAE-Norm Geometrie einer Ladeschaufel Füllfaktor für den Tieflöffel Verhältnis tatsächlicher Wandhöhe zu optimaler Wandhöhe Optimale Schwenkbewegung beim Beladen des LKW Optimaler RadVRaupenlader - LKW-Betrieb Einflussfaktor \z des Schwenkwinkels bzw. Fahrwegs Entleerungsgenauigkeitsfaktor f3

246 248 249 254 261 263 263 264 267

Bild 7-2: Bild 7-3:

290

229 235

12 Tabellenverzeichnis

Tabelle 1-1: Tabelle 1-2:

Werte für Bedienungsfaktoren T|I [-] Leistungseinflussfaktoren

Tabelle 2-1: Tabelle2-2: Tabelle 2-3:

Richtwerte der Sozialeinrichtungen Wasserbedarf Formeln zur Berechnung des erforderlichen Leitungsquerschnitts A [mm2] Zulässige Dauerbelastung und Zuordnung von ÜberstromSchutzorganen für isolierte Leitungen Motorleistung von Baumaschinen Anschlusswerte diverser Elektrogeräte Anschlusswerte verschiedener Beleuchtungskörper Motorleistung diverser Baumaschinen Anschlusswerte diverser Elektrogeräte Berechnungsbeispiel der eingesetzten Beleuchtungen Abweichungsfaktor ^ [-] Verlustfaktor f2 [-] Verlustfaktor f4 [ - ] - Undichtigkeiten Druckluftbedarf Qm,v Äquivalente Rohrleitungslängen L, [m] Einteilung möglicher Separationsintervalle

Tabelle 2-4: Tabelle 2-5: Tabelle 2-6: Tabelle 2-7: Tabelle 2-8: Tabelle 2-9: Tabelle 2-10: Tabelle2-11: Tabelle2-12: Tabelle2-13: Tabelle2-14: Tabelle2-15: Tabelle 2-16: Tabelle3-1: Tabelle 3-2: Tabelle 3-3: Tabelle 3-4: Tabelle 3-5: Tabelle 3-6: Tabelle 3-7: Tabelle 4-1: Tabelle 4-2: Tabelle 4-3: Tabelle4-4: Tabelle 4-5: Tabelle4-6: Tabelle4-7: Tabelle 4-8: Tabelle4-9: Tabelle4-10: Tabelle 4-11: Tabelle 4-12: Tabelle4-13: Tabelle 4-14: Tabelle4-15:

Änderung der Spielzeit At [s] eines Radladers Ladezeit tL [s] Änderung der Spielzeit At [s] eines Kettenlader Faktoren im Erdbau Diverse Betriebsbeiwerte Leistung eines Caterpillar Graders 140H mit 138 kW Leistung Anhaltswerte für den Verdichtungsfaktor 5v Durchschnittsgeschwindigkeiten Vj [km/h] für LKW auf verschiedenen Untergründen Geschwindigkeitskorrekturfaktor I
292

5 7 20 24 32 34 35 36 36 37 37 38 43 43 44 44 45 51 62 64 65 70 78 80 82 93 94 106 107 107 108 118 119 120 120 121 126 126 128 129

Tabelle 4-16: Tabelle 4-17: Tabelle4-18: Tabelle4-19: Tabelle 4-20: Tabelle4-21: Tabelle4-22: Tabelle 4-23: Tabelle 4-24: Tabelle4-25: Tabelle 4-26: Tabelle4-27: 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: Tabelle7-1: Tabelle 7-2: Tabelle 7-3: Tabelle 7-4: Tabelle 7-5: Tabelle 7-6: Tabelle 8-1: Tabelle 8-2: Tabelle 8-3:

Verlustbeiwerte C,K [-] für Kreisrohr-Kniestücke Formbeiwerte für Querschnittsänderungen Dampfdruck von Wasser HD [m] Wirkungsgrade Zulässige Saughöhen hs,zui bei Aussenatmosphärendruck (HB) von 10 m Wassersäule Fall 1 - Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen Fall 2 - Ermittlung der Rohrkennlinie und Leistungen Kritische Fördermengen für verschiedene FlüssigkeitsFeststoff-Gemische Matrix der Abhängigkeiten der Abbauleistung (Qo) bzw. Nettovortriebsleistung (I) von der Fördermenge und der Rohdichte des Feststoff-Flüssigkeits-Gemischs Grundwerte des Füllungsgrads cp0 Steigungsfaktor fs der Schneckenganghöhe Staufaktor fst Betriebsbedingungen r|2 Verschiebewiderstandsbeiwert A in Abhängigkeit von den Materialien Faktor kM [-] zur Berücksichtigung der Wahl des Bohrkopfdurchmessers bei gleicher Hammerleistung Faktor kes [-] zur Berücksichtigung der Art der Bohrstifte Praxiswerte für die Penetrationsrate ib [m/min] in Abhängigkeit von der Gesteinsart und einaxialen Druckfestigkeit Trendbeziehung Bohrbarkeit - Bohrgeschwindigkeit - Bohrkronenverbrauch Grundbruch-/Pfahlspitzenwiderstand q s [kN/cm2] und Mantelreibung xM [kN/m2] Widerstandsbeiwert (xDyn [-] des Bodens Stossziffer k [-] Eigenfrequenzen ausgesuchter Bodenarten

129 130 138 143 145 153 157 158 159 164 164 164 164 166 183 184 184 184 214 214 214 224

Anhaltswerte zur Ermittlung der Grundspielzeit t s [s] Richtwerte zur Abschätzung: Anzahl Arbeitskräfte/Kran Richtwerte zur Abschätzung der Kranförderung im Hochbau Kranaufwandswerte Auflockerungsfaktor SAi [-] Grenzwerte von Betonpumpen

229 230

Schüttdichte ps und Lösefaktor afür diverse Bodenarten Werte für den Füllfaktor 9 bei Tieflöffeln Werte für den Füllfaktor

251 255

293

230 230 232 234

256

Tabelle 8-4:

Füllfaktor cp [-] für LKW im Strassenverkehr mit VFSAE,I und LKW, Dumper und SKW im Baustellenverkehr mit VFSAE,2 Tabelle 8-5: Bedienungsfaktoren T|I Tabelle 8-6: Betriebsfaktoren r\2 Tabelle 8-7: Optimale Wandhöhen Tabelle8-8: SchneiderWZahnzustandsfaktor f4 [-] Tabelle 8-9: Gerätezustandsfaktor f5 [-] Tabelle 8-10: Geräteausnutzungsgrad r|G [-] Tabelle8-11: Richtwerte für wk [%o] Tabelle 8-12: Rollwiderstandsbeiwerte wr(W) [%o] der Räder für einzelne Wagen beim Gleisbetrieb Tabelle 8-13: Rollwiderstandsbeiwerte wr [%o] für Schwerkraftlastwagen

294

256 257 259 261 268 269 270 271 272 273

13 Stichwortverzeichnis

Abbauhöhe

216, 228, 231, 234, 259, 260,262 Betriebsbeiwert 5, 12, 54, 60,63,66,67,72,75,77, 78,81,90, 163, 171, 177, 182,207,216,228,231, 234

6, 54, 55, 56, 261

Abbauvolumen 141, 163 Abnutzungsgrad 6 Absetzgenauigkeit 228 Anisotropie 182,183 14, 17, 186,239 Anker 186 Ankerbohrgerät Anlaufzeit 8 Ansaugleistung 40, 42, 43, 46 Antriebsleistung 103, 122, 123,

Betriebsfaktor Betriebszeit

3, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 15, 16, 17, 18 Bohrbarkeit 173, 182, 184 Bohren 184, 185, 186 Bohrjumbo 186, 269 Bohrkopfdurchmesser 183 Bohrmaschinen 169, 182 Bohrzeit 185

166, 167, 178

Anzugskraft 104, 105, 113 Äquivalente 45 Rohrleitungslängen Arbeitsdruck 43 Arbeitstage 15, 16 Arbeitszeit 3,8, 12, 16, 17,22 Aufgabemenge 47 Aufwandswerte 8, 236, 239 Aushub 2, 14, 17,93, 101,270

Dampfdruck 138 Deckentisch 237, 241 Dichte 47, 123, 135, 136, 143, 146, 150, 152, 155, 162, 198,206,250 166 Drehmoment Drehzahlregelung 144, 154 Dreiphasenwechselstrom 27, 33 Druckhöhe 124, 134 Druckluftbedarf 40, 42, 44 Druckluftversorgung 19, 40 Druckverlust 190, 198, 201, 202 Dumper 89, 90, 245, 256 Durchflussmenge 132, 203, 204,205,206 219 Dynamische Masse

B Bahnwiderstand 104 Bandförderung 89, 119 Baugerätekosten 3 Bauzeit 2, 9 Bedienungsfaktor 5, 12, 54, 60, 63, 67, 70, 72, 75, 78, 81,90, 163, 171, 177,

182, 207, 216, 228, 231, 234, 243, 244, 257, 258

Beladezeit 76, 91, 92, 95, 96 Beladungsverhältnis 47, 51 Bentonit 125, 135, 136,

141, 147, 149, 150

Bentonitkonzentration Beschleunigung

Effektivzeit 7 Eigenfrequenz 224 Einarbeitungszeit 15, 17, 18 Eindringtiefe74, 170, 207, 208, 210, 211 Einphasenwechselstrom 27, 33 Einsatzleistung 13, 15, 16 Einsatzzeit 3, 6, 9, 13, 15, 16, 17, 18, 180, 213,216,269 Entleerungsgenauigkeitsfaktor 6, 12,54,60,63,90, 243, 244, 266, 267

147 105, 113,

217,219,220

Betonanlagen

163,243,

244,259,262

10, 23, 227,

231,233,234

Betonarbeiten 240, 241 Betonbau 10, 230 Betonmischer 10, 23, 231 Betonpumpen 10, 233, 234 Betriebsbedingungen 5, 6, 7,

11, 12,54,60,63,67,70, 72,75,78,81,90, 164, 171, 177, 182, 192,207,

296

Erdbau Erdbaugeräte

Gesamtwasserbedarf 22, 25, 26 Gesamtwiderstand 104 Geschwindigkeit 73, 74, 81,84,94,98, 103,104, 105, 106, 117, 118, 130, 139, 154, 198,201,202,272 124, Geschwindigkeitshöhe 134, 137 Geschwindigkeitskorrekturfaktor 94 Gleisförderung 89, 108 Grabentiefe 6, 54, 56, 262 Grabtiefenfaktor 6, 12, 243, 244,261,262 Grader 53, 66, 80 Grossflächenschalung 241 Grundabbauleistung 135, 140, 141, 161, 162, 170, 171, 177, 178 Grundleistung 4, 6, 11, 12, 14, 142, 143, 146, 154,156 Grundrammleistung 207, 210,211,212,215,216 Grundspielzeit 61, 228, 229 Güteklasse 193, 194, 195

2, 10, 70, 96, 259 53

Fahrwegfaktor

6, 12, 60, 63,243,244,263 Fahrwiderstand 104, 108, 110, 111, 112, 113 Fahrzeit 61, 64, 91, 92,93,99,229 Fliehkraft 35, 217, 219, 220, 221,222,223,224,225 Flüssigkeitsförderung 89, 124, 125, 132, 138, 142, 143, 192,201,202,203 35, 37, 62, 65 Förderband Förderhöhe 131, 133, 136, 142, 143, 144, 146, 149, 152, 155,234 Förderleistung 47,141, 144, 145, 150, 151, 154, 155, 188,230,233,234 Förderleistungsdiagramm .... 78, 79 Fördermittelgrösse 56 Förderschnecke 161, 162, 165, 166, 167 Füllfaktor 12,54,60, 63,70,75,90,91, 100, 109, 110,243,244, 254 255 256 Füllung 245, 247, 252^ 254^ 255 Füllungsgrad 66, 162, 163, 166

H Hochbau Hubmasse Hüllrohr Hydraulikbagger

2, 227, 230 228 239 53, 54, 55, 253

I Injektionsgut 199 lnjektionssäulendurchmesser...205

Geräteausnutzungsgrad 6, 7, 12, 13,42,54,60, 63,66,72,75,77,81, 90, 163, 171, 177, 182, 207,216,228,231,232, 234, 243, 244, 270 Gerätezustandsfaktor 6, 12,54,60,63,66,72, 75,78,81,90, 119, 163, 171, 177, 182,207,216, 228, 231, 234, 243, 244, 269 Gesamtaushub 16 Gesamtstundenaufwand 237, 238,240,241 Gesamtverlusthöhe 124

197, 198

Jetgrouting K Kavitation Kettenlader Kluftfaktor Kluftflächen Kompressor Kornverteilung Krane

297

138, 145 53,63,65,264 170, 172 172 35, 37, 40, 42, 44 203 4,227,228

Kreiselpumpe

M

137, 138,

142, 143, 154,156

Manövrierzeit 64 Mantelreibung 208,214 Meisselgrösse 170, 176 Meisselverbrauch 180 Muldeninhalt 90, 91, 92, 96, 100,243,244, 245,246,256,272

kritische Fliessgeschwindigkeit

139 Krümmung 137, 271 Kurvenwiderstandsbeiwert 110, 111, 112, 115,243,244 11 Kurzzeitleistungen

N

Laderaupe 53, 63 Ladeschaufel 55, 247, 249 Langzeitleistung 13 Lastkraftwagen LKW 2, 10,56,62,65,67,89, 90,92,93,95,99, 102, 245, 250, 256, 263, 264, 266 Leistung 1,2,4,7,8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 21,27,28,29,30,32,51, 68,74,80,99, 103, 153, 157, 182, 184, 188,213,

Nenninhalt

12, 23, 54, 60,63,77,92,96, 109, 110,231,243,244,247, 248,249,254 170 Nettopenetrationsleistung Nettovortriebsleistung 158, 159, 161, 170 Nutzleistung 4, 12, 13,14, 17, 54, 60, 63, 66, 67,72, 81,90, 101, 102, 119, 228, 252, 257, 262, 264 Nutzrammleistung 207, 216

16,228,236,257,258, 64,268,270

Leistungsaufnahme 28, 38, 143, 146, 154,156 1, 2, 258 Leistungsbegriff Leistungseinflussfaktor 6, 7, 12,42,43,54,60,63, 66,72,75,77,78,81,90, 163, 171, 177, 182,207, 216,228,231,234 1, 2, 8, 9, 27 Leistungswert Leitfähigkeit 32, 39 Litzen 239 LKW 2, 56, 62, 65, 67, 90, 92,93,95,99, 102,245, 250, 256, 263, 264, 266 Lösefaktor 12, 54, 60, 63,67,68,72,75,77, 78,90, 100, 102, 109, 161, 162, 171,243,244, 251,252,253 16 Lösegerät Lüften 185, 186, 187 Luftmenge 188, 189, 190 Lüftung 188 Lüftungsaggregate 169 Lutte 188, 189, 190

Ortsbrust

141, 162, 177, 185, 186, 187

Penetration 170,173, 175 Pemneabilität 203 Pfahlspitzenwiderstand 208, 214 Planiergerät 53, 66, 77, 102 Planierraupe 68, 69, Produktionskette

71,72,102

1, 9, 10, 266,269 13, 17, 102,259 Prozesskette Prozesskettenleistung 102 Pumpe 131, 132, 133,134, 137, 138, 140, 141, 142, 143, 144, 146, 148, 149, 152, 154, 155, 156, 160, 192, 201, 202, 233, 234 Pumpendruck 202 Pumpenleistung 142, 146, 233

Radlader

298

53, 60

Separationsintervall

Rammbarkeit 223 Rammen 197, 207, 216 Rauhigkeitswert 125, 126, 134 Raupenplaniergerät 53, 66, 77,78,79 4, 12, 270 Reduktionsfaktor Reibungsverlusthöhe 125 Reissbarkeit 73, 74 Reynoldszahl.... 125, 127, 134, 151 Rohrkennlinie 149,153, 157 Rohrleitung 22, 23, 26, 45, 124, 125, 134, 144, 148 Rollwiderstandsbeiwert 94, 104, 107, 110, 111, 112, 115, 116,243,244

47, 48,

49,50,51

Sieblinie 47, 48, 49, 50, 51 Sozialeinrichtung 19, 20 Spannung 28, 29, 32, 39 Spannungsabfall 32, 39 Spezialtiefbau 197 Spielzeit 12, 54, 55, 58,59,60,61,62,63, 64,65,92,95,96, 101 Sprengarbeiten 169 Sprengen....13, 185, 187, 188,252 186 Sprengloch Spundbohlen 215 Stahlbetonarbeiten 227, 236 Stauungen 163, 164 Steigung 68,94, 104, 110, 114, 119, 163, 164, 165, 167 Steigungsfaktor 66, 70, 163, 164 Steigungswiderstand 104 Stossziffer 208,214 165 Streckenlast Stromversorgung 19, 27 Systemschalung 237

SAE-Norm

245, 246, 247, 248, 254, 255 Saughöhe 134, 137, 138, 142, 145, 152, 155 Schalungstechnik 237 Schalungsvorbereitung 237 Schieferung 182 Schienen 112, 118 Schildarteinflussfaktor 66, 70 Schlagenergie 208, 209 Schlagramme 208, 209 Schmalspur 108,271,272 163, 165, 167 Schneckenachse Schneckenförderung 89, 161 Schneckenganghöhe 162, 163, 164, 167 Schneckenkraft 165, 166 Schneidkraft 198 Schneidleistung 203 Schubbahnfaktor 70 Schüttdichte 91, 110, 162, 166,243, 244,250,251,252 14 Schutterleistung Schütthöhe 81,84 Schwerlastkraftwagen SKW 89, 90,92,94,95, 245,256,264 53, 66, 75, 77, 78, 79 Scraper Separationsanlage 19, 47, 50,51,52, 147

Tagesdurchschnittsleistung ..15, 16 Teilschnittmaschine..169, 177, 178 Theoretische Leistung 228 Tieflöffel 55,58, 247, 248, 252, 254 Trennschnitt 51 Tunnelbaugerät 169 Tunnelbohrmaschine 147, 169, 170, 174 Tunnelvortrieb 140, 161 Tunnelvortriebsmaschine TVM

47, 161

Turmdrehkran

27, 228

U Umlaufzeit

66, 67, 75, 76, 90,91,95,98,99,217

Ventilationsleistung Verdichtungsfaktor

299

190 81, 82, 231,233,253

Verdichtungsgerät 53, 81, 82 Verlust 22,25,45, 124,134, 138, 141, 144, 148,151, 152, 155, 189, 202,266 125, 128, Verlustbeiwert 129, 130, 134, 198,202 239 Verpressen Vibrationsramme 217,218,

219, 220, 221, 222, 224

Volumenkonzentration .... 135, 139, 141, 149 Vorhaltezeit 3, 4, 15, 17, 18

W Wandelement 241 Wasserbedarfsermittlung 21 Wasserversorgung 19, 21 Widerstand 28 Widerstandsbeiwert 111, 112, 125, 151, 155,208,214 Wirkungsgrad 28, 39,

123, 143, 145, 146, 154, 167,208,233

Zahnzustandsfaktor 6, 12, 54, 60, 63, 66, 75, 78, 243,244,268 2, 3 Zeiteinheit Zugkraft 73, 103, 105, 112, 115

300