Regenentwässerungsanlagen

Das hydraulische Verhalten im Überlastungszustand

Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann Teil 2

Ergänzend zum Teil 1 dieses Beitrags, erschienen in IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8, Seite 116 ff, zeigt der Autor im Teil 2 an einer Regenentwässerungsanlage für eine Lagerhalle beispielhaft, bei welchen Planungsgegebenheiten sich Gefährdungspotentiale ergeben und welche Maßnahmen ergriffen werden können bzw. müssen um das Risiko zu reduzieren.

Berechnungsbeispiele

Im Beispiel soll ein Grundstück mit einer Fläche von 180 m · 120 m = 21600 m² entwässert werden, das mit einer Lagerhalle (Grundrißfläche: 120 m · 80 m = 9600 m²) bebaut ist (Bild 3). Die Verkehrs- und Wegeflächen, die sich bei Überlastung für eine Regenrückhaltung eignen, wurden mit 8000 m² festgestellt. Die Bemessung der Grundleitungen soll für r = 200 l/s/ha vorgenommen und eine Überlastungsregenspende von r = 450 l/s/ha berücksichtigt werden. Diese Festlegungen entsprechen z.B. den zu erwartenden Regenereignissen am Gebäudestandort Essen oder Lübeck (Tabelle 1).

Bild 3: Vereinfachter Lageplan des Gebäudes für die Beispielberechnungen.

Die Berechnungsergebnisse der Überlastungsrechnung für p_x (Tabelle 2) zeigen, daß sich längs des Fließweges von TS 13 bis TS 1 Überdruck ausbildet, dessen Maximum sich am Anfang des Fließweges einstellt und zwar an der Umlenkungsstelle von der Falleitung in die Grundleitung.

Aus der ungünstigen Leitungsführung resultieren Überdrücke in den Grund- und Falleitungen, die jenseits der standardmäßig zugelassenen Belastungsgrenze für Rohrleitungs- und Dichtsysteme von 0,5 bar liegen, obwohl eine Regenspende für die Bemessung der Leitungen verwendet wurde, die noch den normativen Festlegungen entspricht. Für die Gebäudeinstallation ergibt sich durch diese Betriebsweise die Gefahr, daß Wasser auch oberhalb der vermeintlichen Rückstauebene austreten kann und daß nicht ausreichend druckfeste Leitungen brechen oder ungesicherte bzw. nicht fachgerecht erstellte Verbindungen undicht werden können.

Tabelle 2: Ergebnisliste für die Bemessung der Freispiegelentwässerung mit einer Bemessungsregenspende von r = 200 l/s/ha aus Bild 4 (TS 1 - TS 13) in Verbindung mit einer Überlastungsrechnung (r = 450 l/s/ha). Die Vorgaben und Ergebnisse der Überlastungsrechnung sind kursiv dargestellt. Der sich rechnerisch ergebende statische Druck in der Grundleitung p_x ist zusätzlich fettgedruckt.

TS	Länge	Fläche	y	V_r-200	V_r-450	I_gew	h/d_i	DN	R_b	v	l · R_b	Dp_-x	(l · I)	p₂	S(l · I)	P_x
-	m	m²	-	l/s	l/s	cm/ m	-	-	mbar/ m	m/s	mbar	mbar	cm	mbar	mbar	mbar
1	20	9600	0,8	153,6	345,6	1	1,0	350	4,8	3,6	96,0	96,0	20	200	20	276,0
2	40	8000	0,8	128,0	288,0	1	1,0	350	3,4	3,0	136,0	232,0	40	200	60	372,0
3	40	4800	0,8	76,8	172,8	1	1,0	300	2,8	2,5	122,0	344,0	40	200	100	444,0
4	15	3200	0,8	51,2	115,2	1	0,7	250	3,1	2,3	46,5	390,5	15	200	115	475,5
5	8	2880	0,8	46,1	103,7	1	0,7	250	2,6	2,1	20,8	411,3	8	200	123	488,3
6	8	2560	0,8	41,0	92,2	1	0,7	250	2,0	1,9	16,0	427,3	8	200	131	496,3
7	8	2240	0,8	35,8	80,6	1	0,7	250	1,6	1,7	12,8	440,1	8	200	139	501,1
8	8	1920	0,8	30,7	69,1	1	0,7	250	1,1	1,4	8,8	448,9	8	200	147	501,9
9	8	1600	0,8	25,6	57,6	1	0,7	200	2,6	1,8	20,8	469,7	8	200	155	514,7
10	8	1280	0,8	20,5	46,1	1	0,7	200	1,6	1,5	12,8	482,5	8	200	163	519,5
11	8	960	0,8	15,4	34,6	1	0,7	200	1,0	1,1	8,0	490,5	8	200	171	519,5
12	8	640	0,8	10,5	23,0	1	0,7	150	1,9	1,3	15,2	505,7	8	200	179	526,7
13	8	320	0,8	5,1	11,5	1	0,7	125	1,3	1,0	10,4	516,1	8	200	187	529,1

Bedingt durch die im Beispiel realisierte geschlossene Rohrleitungsführung von den Dachabläufen bis zum Anschlußkanal (Bild 4) gerät auch die Ortsentwässerung bei Überlastung unter Einfluß der Gebäudehöhe. Die Folge ist, daß sich jede Abflußspitze in der Grundstücksentwässerung mit nur geringer Verzögerung der Ortsentwässerung in vollem Umfange mitteilt, fast unabhängig davon, welche Bemessungsregenspende für die Grundleitung verwendet wurde.

Kann die Ortsentwässerung die auftretenden Überlastungsregenspenden nicht aufnehmen, tritt Regenwasser schwallartig aus den Straßenabläufen aus. Die erforderliche Regenrückhaltung findet damit im Straßenbereich statt. Gleichzeitig geraten geschlossene Schachtdeckel bei Schächten mit offener Leitungsführung unter Überdruck. Die Erscheinung, daß ungesicherte Schachtdeckel bei solchen Belastungszuständen aus ihrer Lagerung gerissen werden und dann große Wassermengen unkontrolliert austreten, ist in der Praxis bekannt. DIN 1986-1 schreibt u.a. aus diesem Grunde in Abschnitt 6.6.3 vor, daß "innerhalb von Gebäuden . . . Abwasserleitungen geschlossen mit Reinigungsrohren durch die Schächte zu führen" sind.

Bild 4: Negativbeispiel für die Leitungsführung in einer Freispiegelentwässerungsanlage (Lagerhalle mit einer Grundrißfläche von 9600 m²).

Bild 5: Prinzipskizze der Überlastungszustände in einer Grundstücksentwässerungsanlage mit den Konstruktionsmerkmalen aus Bild 4.

Werden die in Teil 1 formulierten Entwurfsregeln für die Grundstücksentwässerung beachtet, ergeben sich wesentlich verbesserte Betriebsbedingungen für alle Leitungsteile der Entwässerungsanlage. Die Leitungsführung in Bild 6 berücksichtigt daher zunächst den Grundsatz, daß geschlossene Fließwege unter Einfluß der Gebäudehöhe kurz gehalten werden müssen. Die Grundleitungen, die Wasser aus den Falleitungen aufnehmen, werden aus diesem Grund über die Längsseiten aus dem Gebäude geführt.

Die Anbindung dieser druckkritischen Leitungsbereiche erfolgt an "offene" Grundleitungen außerhalb des Gebäudes, in denen sich kein höherer statischer Druck aufbauen kann als der, der durch Rückstau bis zur Geländeoberkante (Hof- /Straßenablauf) verursacht werden kann. Durch diese einfachen Maßnahmen können die statischen Drücke auch "innerhalb des Gebäudes" nicht wesentlich größer werden als sie vom Rückstau aus der Ortsentwässerung sowieso aufgeprägt werden. In der Beispielberechnung gilt diese Feststellung auch noch für eine Bemessungsregenspende von r = 200 l/s/ha (s. Berechnungsergebnisse für p_x in Tabelle 4).

Tabelle 3: Auf Grundlage der vom Deutschen Wetterdienst [3] veröffentlichten Starkniederschlagshöhen berechnete Bemessungsregenspenden für eine Regendauer "T" von 15 und Wiederkehrzeiten "T_n" von 1, 2, 10, 20, 50 und 100 Jahren (Auswahl)

Meßort	T_n = 1 Jahr T = 15 min	T_n = 2 Jahre T = 15 min	T_n = 10 Jahre T = 15 min	T_n = 20 Jahre T = 15 min	T_n = 50 Jahre T = 15 min	T_n = 100 Jahre T = 15 min
Berlin - Temp. Flugwetterwarte	127	166	258	297	349	389
Bernau, Kr. Rosenheim	171	213	311	353	409	451
Bremen Flugwetterwarte	101	118	158	174	197	214
Essen - Bredeney Wetteramt	108	130	180	202	231	253
Frankfurt - Stadt	113	146	220	252	294	327
Friedrichshafen	121	149	214	242	279	307
Hamburg - Fuhls. Flugwetterwarte	106	137	210	242	283	316
Hannover - Lang. Flugwetterwarte	97	119	173	197	227	250
Kiel - Kronshagen Wetterstation	89	109	157	177	203	224
Lübeck Blankensee Wetterstation	93	116	168	190	220	242
Mittenwald	130	164	242	277	321	356
München - Riem Flugwetterwarte	131	166	246	280	326	360
Münster Wetterstation	109	138	204	233	271	300
Scheyern	124	167	264	307	363	406
Stuttgart Wetteramt	137	179	278	320	376	419
Villingen - Schwenningen	128	158	228	258	297	327

Eine weitere wichtige Folge dieser Leitungsführung ist die hydraulische Entkopplung der Kanäle der Ortsentwässerung von der Gebäudehöhe. Abflußspitzen aus der Gebäudeentwässerung teilen sich dadurch der öffentlichen Kanalisation - wenn überhaupt - dann nur stark abgeschwächt mit.

Bei den vorliegenden Planungsgegebenheiten im Beispielfall ist zu erwarten, daß die Regenspende, die maximal in die Ortskanalisation eingeleitet werden kann, im Bereich von r = 100 - 150 l/s/ha begrenzt ist. In einem solchen Fall sieht DIN 1986-2 : 1995 im Überlastungsfall die kontrollierte Regenrückhaltung über 15 Minuten auf dem Grundstück durch Versickerung, Überflutung nicht gefährdeter Flächen, Rückhaltebecken u.a.m. vor.

Damit das Rückhaltevolumen insgesamt ermittelt werden kann, sollte auch in diesem Fall das statistisch zu erwartende Jahrhundertereignis, diesmal allerdings für eine Regendauer von 15 Minuten, bekannt sein. Wie bei der Bemessung der Leitungsanlage liefert die Datenauswertung des Deutschen Wetterdienstes auch für den Rückhaltefall geeignete Auslegungsdaten (Tabelle 3). Überschlagsrechnungen werden in der Praxis im allgemeinen mit r = 300 l/s/ha durchgeführt [2].

Tabelle 4: Ergebnisliste für die Bemessung der Freispiegelentwässerung mit einer Bemessungsregenspende von r = 200 l/s/ha aus Bild 6 (TS 9 - TS 13) in Verbindung mit einer Überlastungsrechnung (r = 450 l/s/ha). Die Vorgaben und Ergebnisse der Überlastungsrechnung sind kursiv dargestellt. Der sich rechnerisch ergebende statische Druck in der Grundleitung p_x ist zusätzlich fettgedruckt.

TS	Länge	Fläche	y	V_r-200	V_r-450	I_gew	h/d_i	DN	R_b	v	l · R_b	Dp_-x	(l · I)	p₂	S(l · I)	P_x
-	m	m²	-	l/s	l/s	cm/ m	-	-	mbar/ m	m/s	mbar	mbar	cm	mbar	mbar	mbar
8														200		200,0
9	8	1600	0,8	25,6	57,6	1	0,7	200	2,6	1,8	20,8	20,8	8	200	8	212,8
10	8	1280	0,8	20,5	46,1	1	0,7	200	1,6	1,5	12,8	33,6	8	200	16	217,6
11	8	960	0,8	15,4	34,6	1	0,7	200	1,0	1,1	8,0	41,6	8	200	24	217,6
12	8	640	0,8	10,2	23,0	1	0,7	150	1,9	1,3	15,2	56,8	8	200	32	224,8
13	8	320	0,8	5,1	11,5	1	0,7	125	1,3	1,0	10,4	67,2	8	200	40	227,2

Für die Beispielberechnung soll der zulässige Abfluß in die Ortsentwässerung mit r_zul = 150 l/s/ha und die Überlastungsregenspende über 15 Minuten mit r_T(n) = 300 l/s/ha angenommen werden. Das Volumen V_Rü, das dann durch Überfluten der Verkehrs- und Wegeflächen auf dem Grundstück zurückgehalten werden muß, kann mit Gleichung 3 berechnet werden.

V_rü = (r_T(n) - r_zul) ·

V_rü = (300 - 150) ·

Im konkreten Fall ist der Nachweis der Auswirkungen einer solchen Überflutung relativ einfach zu führen, da im Beispiel 8000 m² der Verkehrs- und Wegeflächen auf dem Grundstück für diese Maßnahme geeignet sind. Unterstellt man für den Beispielfall vereinfachend, daß diese Fläche völlig eben ist, kann die zu erwartende Überflutungshöhe h_Rü über die Gleichung 4 berechnet werden.

h_Rü =

Wie diese einfache Berechnung zeigt, sind bei den gegebenen Voraussetzungen die zu erwartenden Überflutungshöhen bei Überlastung im allgemeinen sehr gering, hier weniger als 3 cm. Ferner muß bei der Beurteilung des Ergebnisses berücksichtigt werden, daß diese Höhe berechnet wurde für ein Regenereignis, das statistisch gesehen einmal in 100 Jahren erwartet werden muß.

Bild 6: Freispiegelentwässerungsanlage einer Lagerhalle mit einer Grundrißfläche von 9600 m² mit hydraulisch günstigen Eigenschaften.

Bild 7: Prinzipskizze der Überlastungszustände in einer Grundstücksentwässerungsanlage mit den Konstruktionsmerkmalen aus Bild 6.

Man sollte sich allerdings immer darüber im klaren sein, daß ein solches Ereignis schon im nächsten Sommer auftreten kann. Dann ist es allerdings entscheidend, an welcher Stelle Regenwasser zurückgehalten wird. Bei gut geplanten und gebauten Entwässerungsanlagen kontrolliert im Freien (s.o.) oder bei hydraulisch schlecht ausgebildeten Systemen unkontrolliert im Gebäude!!

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