IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/1996, Seite 116 ff.


SANITÄR


Regenentwässerungsanlagen

Das hydraulische Verhalten im Überlastungszustand

Prof. Dipl.-Ing. Bernd Rickmann Teil 1

Mit der Neuausgabe der DIN 1986-2 [1,2] nimmt die Festlegung der Bemessungsregenspende direkten Bezug auf die betrieblichen Eigenarten der Rohrleitungsanlage und auf die klimatischen Randbedingungen des Gebäudestandortes. So soll unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte bewirkt werden, daß eine kontrollierte Funktion der Regenentwässerungsanlage sowohl im Teillastbereich als auch bei einer Überlastung, z.B. mit einem Jahrhundertregenereignis, an jedem Standort in Deutschland gleichermaßen gewährleistet ist.

Es muß sichergestellt werden, daß bei einer größeren Grundstücksentwässerungsanlage und einem begrenzten Abfluß in die Ortsentwässerung eine kurzzeitige kontrollierte und damit risikoarme Regenrückhaltung auf dem Grundstück stattfinden kann. Zusätzlich müssen die Auswirkungen der Überlastung so begrenzt werden, daß Regenwasser zu keinem Zeitpunkt in das Gebäude eindringen kann.

An einer Regenentwässerungsanlage für eine Lagerhalle soll beispielhaft aufgezeigt werden, bei welchen Planungsgegebenheiten sich Gefährdungspotentiale ergeben und welche Maßnahmen ergriffen werden können bzw. müssen um das Risiko zu reduzieren.

Bemessungsgrundlagen für Freispiegel - Regenentwässerungsanlagen

Ausgangspunkt für die Ermittlung der Nennweiten ist die Regenwasser-Volumenstromberechnung. Der Volumenstrom, der in einer Entwässerungsanlage abgeführt werden muß, ist maßgeblich von der Regenspende des Bemessungsfalls abhängig. Leitungsanlagen und die zugehörigen Bauteile einer Regenentwässerung werden im Geltungsbereich der DIN 1986 immer nur für ein mittleres Regenereignis, dem sogenannten Berechnungsregen ausgelegt.

In der Regel ist der Berechnungsregen ein idealisiert betrachtetes Regenereignis, das gekennzeichnet ist durch eine konstante Regenspende "r" in l/s/ha, in einer bestimmten Zeitspanne, der Regendauer "T" in Minuten (Blockregen). In der Ausgabe DIN 1986-2: 1995-03, Abschnitt 7.1.1 sind zur Festlegung dieser Bemessungsregenspenden folgende Regelungen enthalten:

Regenwasserleitungen innerhalb und außerhalb von Gebäuden sind grundsätzlich mit einer Bemessungsregenspende von mindestens 300 l/s/ha zu bemessen. ... Ergänzend zu DIN 1986-1: 1988-06, Abschnitt 6.3.4, sind bei größerer innenliegender Dachentwässerung ausreichende Notabläufe vorzusehen. Abweichend von dieser Regelung gilt:

- Für Sammel- und Grundleitungen innerhalb von Gebäuden kann in Abstimmung mit der örtlichen Behörde eine geringere Bemessungsregenspende, mindestens jedoch der Fünfminutenregen in 2 Jahren r5(0,5), festgelegt werden. In diesem Fall ist für größere Flachdachentwässerungen (ab etwa 5000 m2) die Durchführung einer Überlastungsrechnung für ein Regenereignis erforderlich, das mindestens als Fünfminutenregen in 20 Jahren r5(0,05) zu erwarten ist. ...

- Regenwasser-Grundleitungen unter Flächen, die nicht gegen Überflutung geschützt zu werden brauchen, können mit einer geringeren Bemessungsregenspende, z.B. 200 l/s/ha, mindestens jedoch der Fünfminutenregen der statistisch gesehen 1mal in 2 Jahren zu erwarten ist r5(0,5) und in Abstimmung mit der örtlichen Behörde bemessen werden. ...

- Besondere Dachausführungen, z.B. solche mit planmäßiger Überflutung, sind bis zur Überflutungshöhe abzudichten und statisch zu bemessen. ...

Diese umfassenden Regelungen sind neu, da eine Mindestregenspende bisher nur für Anschluß- und Fallleitungen mit r = 300 l/s/ha berücksichtigt werden mußte.

Die r5(0,5)-Regenspende kann in der Regel von der "örtlichen Behörde" angegeben werden. Liegen entsprechende Erkenntnisse dort nicht vor, können auf Grundlage der vom Deutschen Wetterdienst [3] veröffentlichten Starkniederschlagshöhen orts- bzw. landschaftsspezifische Regenspenden berechnet werden, z.Zt. allerdings nur für die alten Bundesländer.

Mit Ergänzungen für die neuen Bundesländer ist in Kürze zu rechnen. Im Anhang zu DIN 1986-2 (daher keine normative Festlegung) werden ebenfalls nach Meßort, Regendauer und Regenhäufigkeit spezifizierte Regenspenden genannt, die auf Angaben in [4] beruhen. Der dort beschriebene gesetzmäßige Zusammenhang zwischen den Einflußgrößen r, T und einer definierten statistischen Jahreshäufigkeit "n" in 1/Jahr wurde erstmals im Jahre 1936 von Reinhold durch die Auswertung von Regenmessungen empirisch hergestellt [5]. Diese Werte gelten mittlerweile als ungenau, da insbesondere die mit diesem Verfahren errechneten 5-Minuten-Regenspenden in der Regel höher liegen als in [3]; das entsprechende ATV-Arbeitsblatt befindet sich daher aktuell in der Überarbeitung.

Überlastungsrechnungen für größere Freispiegel-Entwässerungsanlagen

Dachabläufe müssen bei einer vorgegebenen maximalen Anstauhöhe mindestens das gleiche Ablaufvermögen aufweisen wie die nachgeschalteten Falleitungen.

Das tatsächliche Abflußvermögen von Dachabläufen für Freispiegelentwässerungen weist aber in der Regel erhebliche Sicherheitsreserven auf. Es kann daher bei einem Starkregenereignis eine deutlich größere Regenspende über den Dachablauf entwässert werden als im Auslegungsfall eigentlich vorgesehen wurde und zwar ohne das sich dazu ein deutlich höherer Wasseranstau auf dem Dach einstellen muß.

Mit dieser höheren Leistungsfähigkeit muß gerechnet werden, man kann sich allerdings nicht darauf verlassen, da der Abfluß am Dachablauf immer blockiert werden kann, z.B. durch ein Hagelereignis. Deshalb sind auch bei Freispiegelentwässerungen für größere innenliegende Dachentwässerungen ausreichende Notüberläufe vorzusehen (DIN 1986-2, Abschnitt 7.1.1) [6].

Bild 1: Verfügbare Höhendifferenzen Dh in Freispiegel-Entwässerungsanlagen für die Überwindung von Strömungsverlusten im Bemessungs- und im Überlastungsfall.

Während die Falleitungen einer Freispiegelentwässerungsanlage das einmal gefaßte Regenwasser ohne größere Probleme transportieren können, schlagen liegende Freispiegelleitungen schon bei einer geringfügigen Überlastung in Teilabschnitten zu. Stärkere Druckschwankungen sind die Folge, da ein vollständiger Druckausgleich durch Be- bzw. Entlüftung, wie im Falle der reinen Freispiegelströmung, nicht mehr stattfinden kann. Bei einer Regenspende, die in etwa doppelt so groß sein muß wie die Bemessungsregenspende, schlägt die Grund-/Sammelleitung für die Dauer des Regenereignisses über Teilabschnitte der Falleitungen vollständig zu und es stellt sich eine zusammenhängende Strömung eines Wasser-/Luftgemisches ein. Dieser Strömungsbereich kann unter ungünstigen Voraussetzungen so hohe statische Drücke in der Leitungsanlage aufbauen, daß die Funktion der Entwässerung gefährdet und die statische Belastbarkeit der Rohrleitungsanlage überschritten werden kann. Als Folge des beschriebenen Strömungszustandes muß bei einer fehlerhaft konstruierten bzw. bemessenen Anlage mit folgenden Problemen gerechnet werden:

Wasseraustritt, auch deutlich oberhalb der vermeintlichen Rückstauebene, z.B. im Bereich:

- von überdruckgefährdeten (Hof-) Abläufen oder anderen Anschlüssen.

- von Entwässerungsgegenständen innerhalb des Gebäudes, die an überlastungsgefährdete Mischwasserleitungen angeschlossen wurden.

- Anmerkung: Vor dem geschilderten Hintergrund sollte von der Öffnungsklausel in DIN 1986-1 : 1988 Abschnitt 2.5 für den Zusammenschluß von Regen- und Schmutzwasserleitungen auf dem Grundstück "Beim Mischverfahren dürfen Regen- und Schmutzwasserleitungen nur in Grundleitungen oder in Sammelleitungen, bei letzteren jedoch möglichst nahe am Anschlußkanal, zusammengeführt werden" daher nur Gebrauch gemacht werden, wenn zuvor rechnerisch festgestellt wurde, daß dieser Zusammenschluß nicht im kritischen Druckbereich (Bild 1) der Regenentwässerung vorgenommen wird. Überlastungsrechnungen zeigen sofort, daß bei größeren Hallenentwässerungen Schmutzwasseranschlüsse an Regenwasserleitungen "innerhalb von Gebäuden" immer als sehr bedenklich angesehen werden müssen!

- von fehlerhaft eingedichteten Deckeln von Reinigungsrohren.

- eines mangelhaft ausgeführten Werkstoffwechsels Grundleitung/ Falleitung.

Verschieben der Rohrleitungen aus der Montageachse (unzureichende Befestigung), Auseinanderbrechen von ungesicherten Rohrleitungsverbindungen, Bruch nicht ausreichend druckfester Rohrleitungssysteme usw.

Bei knapp bemessenen Grund- oder Sammelleitungen (Bemessungsregenspende kleiner als 300 l/s/ha) für größere Dachflächen (ab etwa 5000 m2) wird aus den genannten Gründen jetzt in DIN 1986-2 : 1995 eine sogenannte "Überlastungsrechnung" gefordert. Diese Betrachtung soll das Abflußverhalten der Entwässerungsanlage bei einer am Gebäudestandort zu erwartenden Überlastung durch ein Starkregenereignis deutlich machen. Mit diesem zusätzlichen Bearbeitungsschritt für größere Entwässerungssysteme wird der Planer zwangsläufig mit der Frage der kurzzeitigen kontrollierten Regenrückhaltung auf dem Grundstück konfrontiert, da nach DIN 1986-2, Abschnitt 7.1.1 "die aus den unterschiedlichen Bemessungsannahmen für die Grundstücksentwässerung einerseits und die Ortsentwässerung andererseits resultierenden Differenzen in der Bemessungsregenspende gegebenenfalls durch Rückhaltung von Regenwasser für eine Regendauer von mindestens 15 Minuten auf dem Grundstück auszugleichen sind (gegebenenfalls durch Versickerung , Überflutung nicht gefährdeter Flächen, Rückhaltebecken u.a.m.)".

Bild 2: Bezeichnungen und Definitionen im Überlastungsfall.

Eine Regenrückhaltung - auch eine kurzzeitige - auf dem Dach ist bei einer normalen Flachdachkonstruktion, insbesondere bei Dächern in Leichtkonstruktion (Trapezblech), aus statischen und abdichtungstechnischen Gründen völlig ausgeschlossen (!!) und ist nur bei besonderen Dachausführungen mit entsprechender statischer Auslegung und besonderer Abdichtung zugelassen.

Die hier angesprochene Regenrückhaltung im Überlastungsfall kann daher im allgemeinen gefahrlos nur durch Überfluten von Verkehrs- und Parkflächen auf dem Grundstück realisiert werden. Bei definierten Rückhaltebedingungen können dann auch Teilstrecken im Anschluß an solche Flächen mit geringeren Regenspenden bemessen werden als in der Norm gefordert, z.B. 150 l/s/ha.

Tabelle 1: Auf Grundlage der vom Deutschen Wetterdienst [3] veröffentlichten Starkniederschlagshöhen berechnete Bemessungsregenspenden für eine Regendauer "T" von 5 Minuten und Wiederkehrzeiten "Tn" von 2, 10, 20, 50 und 100 Jahren (Auswahl)

Meßort

Tn =
2 Jahre
T = 5 min

Tn =
10 Jahre
T = 5 min

Tn =
20 Jahre
T = 5 min

Tn =
50 Jahre
T = 5 min

Tn =
100 Jahre
T = 5 min

Berlin - Temp. Flugwetterwarte

237

307

337

377

407

Bernau, Kr. Rosenheim

357

470

517

580

627

Bremen Flugwetterwarte

160

213

240

270

293

Essen - Bredeney Wetteramt

207

297

337

387

423

Frankfurt - Stadt

263

393

450

520

577

Friedrichshafen

257

367

413

473

520

Hamburg - Fuhls. Flugwetterwarte

193

273

310

357

390

Hannover - Lang. Flugwetterwarte

220

333

383

447

497

Kiel - Kronshagen Wetterstation

183

247

273

310

337

Lübeck Blankensee Wetterstation

213

313

357

413

457

Mittenwald

310

463

533

620

687

München - Riem Flugwetterwarte

230

280

300

327

347

Münster Wetterstation

223

330

377

440

487

Scheyern

307

487

567

670

750

Stuttgart Wetteramt

280

437

503

593

663

Villingen - Schwenningen

277

397

447

513

567

Die ausschnittsweise wiedergegebenen Regenspenden der Tabelle 1 machen sofort deutlich, daß das Gefährdungspotential einer Überlastung ortsabhängig ist und in sehr weiten Grenzen variiert. Während in Norddeutschland weniger große Probleme erwartet werden müssen, ist dagegen bei Entwässerungsplanungen für Bauobjekte im Bereich von Mittel- und Hochgebirgen besondere Sorgfalt angeraten. Diese Feststellung wird sofort deutlich, wenn man das zu erwartende Jahrhundertereignis (Tn = 100) über fünf Minuten, z.B. für Bremen mit 293 l/s/ha, mit dem für Mittenwald mit 687 l/s/ha vergleicht.

Als Grundlage für Überlastungsbetrachtungen in Rohrleitungsanlagen wird in DIN 1986 mindestens ein 5 Minuten Regenereignis gefordert, das statistisch gesehen einmal in 20 Jahren erreicht bzw. überschritten wird. Es ist allerdings ratsam, diese Berechnungen für ein Jahrhundertereignis durchzuführen, insbesondere dann, wenn auf das aktuelle Datenmaterial des Deutschen Wetterdienstes zurückgegriffen werden kann.

Wie bereits vorstehend ausgeführt wurde, kann bei einem freien Abfluß am Dachablauf ein größerer Volumenstrom in die Freispiegel-Entwässerungsanlage abgeführt werden als bei der Bemessung vorausgesetzt wurde. Die daraus resultierenden Druckbelastungen müssen von der Leitungsanlage aufgenommen werden können und dürfen nicht dazu führen, daß Wasser in das Gebäude eindringt (s.a. DIN 1986-1, Abschnitt 6.1.12 oder VOB Teil C, DIN 18381) [2]. Über- bzw. Unterdruckbelastungen und die dabei "auftretenden Reaktionskräfte" können näherungsweise berechnet werden. Eine Bernoulli-Betrachtung für die betreffenden überlasteten Entwässerungs-Fließwege liefert dazu die grundlegende Berechnungsvorschrift [7,8].

px = p2 - hx r g + Dpx...2 (Gleichung 1)

Diese Gleichung ist gültig für eine Druckverlustberechnung gegen die Strömungsrichtung, beginnend im Punkt "2" mit h2 = 0 (Bild 2).

Hierin bedeuten:

p2 = hRück r g (Gleichung 2)

p2 statischer Druck in der Sohle des Schachtes mit offenem Durchfluß; bei einem freien Abfluß in die Ortsentwässerung ist p20

hRück entspricht der Höhendifferenz zwischen Schacht- bzw. Rohrsohle und dem maximalen Wasserstand im Rückstaufall

hx = S (l I)

Gesamte Höhendifferenz der Rohrsohle zwischen Anfangs- und Endpunkt der Berechnung in cm (cmWS mbar)

Dpx...2 = S (Rb l)

Summe der Druckverluste im Fließweg, beginnend im Punkt "2" bis zum Berechnungspunkt "x", vereinfacht berechnet [2]

Rb Rohrreibungsdruckgefälle für eine vereinfachte Berechnung (kb = 1,00 mm) aus Diagramm 1

l Länge der jeweiligen Teilstrecke

Gleichung 1 macht deutlich, daß der statische Druck, der sich im Überlastungsfall einstellt, maßgeblich vom Strömungswiderstand Dpx...2 in der Grund- bzw. Sammelleitung abhängig ist. Dieser Strömungswiderstand wird seinerseits durch folgende Einflüsse bzw. Bemessungsgrößen geprägt:

Während die Überlastungsregenspende eine vorgegebene und unveränderliche Größe darstellt und auch das Rohrsohlengefälle durch die baulichen Gegebenheiten in engen Grenzen fixiert ist, können planerisch nur die Bemessungsregenspende und die hydraulisch wirksame Längen- und Höhenausdehnung der jeweiligen Abschnitte der Entwässerungsanlage beeinflußt werden.

Aus diesen Feststellungen und den Folgerungen aus Gleichung 1 lassen sich zwei Grundregeln für die Planung von Gebäude- und Grundstücksentwässerungsanlagen entwickeln, die auch bei Auftreten eines Katastrophenregens Schäden am oder im Gebäude sicher verhindern können.

1. Regel

"Geschlossene" Grund- bzw. Sammelleitungen, die unter Einfluß der Gebäudehöhe stehen, sollten möglichst kurz gehalten werden (Bild 7). Für diese Leitungsabschnitte sollte auch auf die ansonsten zugelassene Unterschreitung der Mindestregenspende verzichtet werden. Der verantwortungsbewußte Planer sollte für diesen Leitungsabschnitt immer eine Überlastungsrechnung - im Zweifelsfall auch bei kleineren Dachflächen als in der Norm genannt - durchführen. Das Zusammenführen von Regen- und Schmutzwasserleitungen bei Mischsystemen nach DIN 1986-1 : 1988, Abschnitt 2.5 ist in diesem überlasteten Leitungsbereich sehr risikoreich!

2. Regel

"Offene" Fließwege können in Abstimmung mit der örtlichen Behörde für die 5 Minuten Regenspende bemessen werden, die einmal in 2 Jahren erwartet werden muß, bei definierten Rückhaltebedingungen auf dem Grundstück auch mit geringerer Regenspende, z.B. r = 150 l/s/ha. (Fortsetzung folgt)


L i t e r a t u r :

[1] DIN 1986-2 : 1995, "Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke - Ermittlung der Nennweiten von Abwasser- und Lüftungsleitungen", Beuth Verlag, Berlin

[2] F.-J. Heinrichs, B. Rickmann, K.-D. Sondergeld, K.-H. Störrlein; "Kommentar zu DIN 1986", Beuth Verlag; Berlin, ZVSHK; St. Augustin

[3] "Starkniederschlagshöhen für die Bundesrepublik Deutschland" Teil 1 und 2, Selbstverlag Deutscher Wetterdienst; Offenbach 1990

[4] ATV Arbeitsblatt A 118 "Richtlinien für die hydraulische Berechnung von Schmutz-, Regen- und Mischwasserkanälen"

[5] F. Reinhold; "Regenspenden in Deutschland (Grundwerte für die Entwässerungstechnik)"; Archiv für Wasserwirtschaft; Berlin 1940

[6] B. Rickmann, B. Osterholt; "Ermittlung von Rinnenquerschnitten auf Grundlage von prEN 12056-3", IKZ-HAUSTECHNIK 1/95

[7] B. Rickmann, B. Osterholt, M. Leverink "Computergestützte hydraulische Nachweise in der Gebäude- und Grundstücksentwässerung", Sanitär- und Heizungstechnik 9/95

[8] "Computerberechnungen nach DIN 1986, Freispiegelentwässerungen"; softlight GmbH, Dülmen