Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

Seite   

Abbildungsverzeichnis   3

Tabellenverzeichnis. 4   

Einleitung.   5

1  Herkunft der Ablagerungen.  6

1.1  Eintragungspfade von Feststoffen in die Kanalisation  6

1.1.1  Abwassereinleitungen  6

1.1.2  Oberflächeneintrag  6

1.1.3  Fremdwasser  7

1.2  Schmutzstoffkonzentrationen  7

2  Der Feststofftransport.  9

2.1  Definition "Kanalablagerung"  9

2.2  Das Schubspannungskonzept - theoretische Grundlage des  Feststofftransports10

2.2.1  Physikalische Modelle  10

2.2.2  Feststofftransportkapazität  12

2.2.3  Quantitative Angaben des kritischen Strömungszustandes  12

2.3  Arten des Feststofftransports  14

2.3.1  Suspensionstransport.  14

2.3.2  Geschiebetransport.  14

2.3.3  Einteilung der Transportzustände.  15

2.3.4  Wechselspiel von Ablagerung, Transport und Erosion  16

3  Ursachen von Kanalablagerungen  18

3.1  Abflussbedingte Ablagerungen  18

3.2  Ablagerungen infolge von punktförmigen Schmutzstoffquellen  18

3.3  Ablagerungen an Hindernissen  19

3.4  Ablagerungen infolge der Abwasserzusammensetzung  19

3.5  Baulich bedingte Ablagerungen  19

3.6  Zusammenfassung der Einflussfaktoren auf die Bildung von Ablagerungen  20

4  Menge und Zusammensetzung von Ablagerungen  21

4.1  Mess- und Probenahmetechniken  21

4.2  Menge der Ablagerungen.  23

4.3  Zusammensetzung der Ablagerungen.  24

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Inhaltsverzeichnis

5  Beitrag der Kanalablagerungen am Abflussgeschehen.  27

5.1  Trockenwetterverhältnisse  28

5.2  Regenwetterverhältnisse.  29

5.2.1  Schmutzstoß gelöster Stoffe  31

5.2.2  Schmutzstoß partikulärer ungelöster Stoffe  31

6  Auswirkungen  33

6.1  Auswirkungen auf die Kanalinfrastruktur.  33

6.1.1  Kanalisationen  33

6.1.1.1  Minderung der hydraulischen Leistungsfähigkeit.  33

6.1.1.2  Geruchs- und Korrosionsprobleme durch Schwefelverbindungen  33

6.1.1.3  Umweltbeeinflussungen  34

6.1.2  Betrieb kommunaler Kläranlagen  34

6.1.2.1  mechanische Reinigung und Vorklärung.  35

6.1.2.2  Abbau organischer Abwasserinhaltsstoffe  35

6.1.2.3  Nitrifikation.  35

6.1.2.4  Denitrifikation  36

6.1.2.5  biologische Phosphorelimination  36

6.1.2.6  Entfernung von Schwermetallen  36

6.1.2.7  Nachklärung  37

6.1.3  Auswirkungen auf Regenbecken  37

6.2  Auswirkungen auf Fließgewässer  38

6.3  Zusammenfassung der Folgen von Ablagerungen  40

7  Vermeidung von Kanalablagerungen.  41

7.1  vorbeugende Maßnahmen.  41

7.2  Kanalreinigung  42

7.2.1  Aufgaben der Kanalreinigung  42

7.2.2  Arten und Verfahren der Kanalreinigung  43

7.2.2.1  Schwallspülung  43

7.2.2.2  manuelle Reinigung  45

7.2.2.3  Durchzugsverfahren  45

7.2.2.4  Hochdruckspülverfahren  45

7.2.2.5  Profilreinigungsverfahren.  46

7.2.2.6  Wulstkugeln  47

7.2.2.7  Reinigungswalzen.  48

7.2.2.8  Schildgeräte  49

7.2.2.9  Sonderreinigungsverfahren  50

7.2.2.10  Reinigung von Entlastungsbauwerken.  50

7.2.3  Bewertung der Reinigungsverfahren.  50

7.2.4  Entsorgung des Räumguts  52

Zusammenfassung  und Ausblick  53

Literaturverzeichnis   55

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1: Querschnitt durch einen Abwasserkanal (GUTEKUNST 1988)

Abb. 2.2:

Abb. 2.3:

Abb. 2.4: Transportkörperarten nach NESTMANN (1998)

Abb. 3.1: Ablagerungsbildung infolge Kanalvereinigung (DAUBER/NOVAK 1982)

Abb. 4.1: Kanalmessboot vor Kanalschacht (SCHMITT 1992)

Abb. 4.2: Kanalmessboot während Messfahrt (WILLMS 1989)

Abb. 4.3:

Abb. 4.4:

Abb. 5.1: Frachtsummenlinie

Abb. 5.2:

Abb. 5.3:

Abb. 6.1:

Abb. 7.1:

Abb. 7.2: Wulstkugel (WILLMS 1989)

Abb. 7.3: Reinigungsprinzip der Wulstkugeln (BÖHM 2001)

Abb. 7.4: Selbstlaufende Reinigungswalzen (BÖHM 2001)

Abb. 7.5: Selbstlaufendes Spülschild im Einsatz (BÖHM 2001)

Abb. 7.6: Spülschlitten im Landgraben (STADT KARLSRUHE 1999)

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Tabellenverzeichnis

Tab. 1.1: Verschmutzungskonzentrationen des Abwassers für Zentraleuropa

Tab. 2.1: Quantitative Angaben des kritischen Strömungszustandes

Tab. 2.2: Qualitative Einleitung der Transportzustände

Tab. 3.1: Einflussfaktoren auf die Ablagerungsbildung

Tab. 4.1: Beurteilung von Probenehmern nach SCHMITT (1992)

Tab. 4.2: Spezifische Ablagerungsrate in Mischkanalisationen

Tab. 4.3: Klassifikation von Ablagerungstypen

Tab. 4.4: Physikalische und chemische Eigenschaften von Ablagerungen

Tab. 5.1: Anteil der Ablagerungen an der Gesamtschmutzfracht in MW-Kanalisationen

Tab. 6.1:

Tab. 6.2: Folgen von Kanalablagerungen

Tab. 7.1: Reinigungszyklen zur vorbeugenden Reinigung nach BÖHM (2001)

Tab. 7.2: Durchzugsgeräte und ihre Einsatzbereiche

Tab. 7.3: Düsenarten der Hochdruckspülung und ihre Einsatzgebiete

Tab. 7.4: Übersicht der Sonderreinigungsverfahren

Tab. 7.5: Bewertung der Reinigungsverfahren

Tab. 7.6: Einsatzbereiche von Kanalreinigungsverfahren

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Einleitung

Gewässerbelastungen werden häufig durch Entlastungen von Mischkanalisationen verursacht. Während eines Regenerei gnisses treten im Mischwasserkanal Schmutzstoffkonzentrationen auf, die sich nicht allein durch die Vermischung von Trocken- und Regenwetterabfluss erklären lassen, sondern erst unter Berücksichtigung von Anteilen erodierter Kanalablagerungen.

Ablagerungen entstehen häufig in abflussschwachen Zeiten und hohen Stoffkonzentrationen. Bei zu geringen Fließgeschwindigkeiten reicht die Transportkapazität des Abwasserstromes nicht mehr aus. Die Abwasserinhaltsstoffe lagern sich im Kanal ab. In diesen Sedimenten finden teilweise Umsetzungsprozesse statt, die zu hohen Verschmutzungskonzentrationen im Mischwasserabfluss führen können.

Die Vorgänge der Sedimentation von Abwasserinhaltsstoffen über die Veränderungen ihrer Eigenschaften bis hin zur Ausspülung bei R egenereignissen sind aufgrund der vielen Einflussfaktoren, der Wechselwirkungen und Schwankungen äußerer Randbedingungen, wie beispielsweise Abwasserandrang, Gefälle oder Reinigungsintervallen, vielseitig und daher in zahlreichen Einzeldokumentationen beschrieben.

In der vorliegenden Arbeit werden die verfügbaren Kenntnisse hierzu systematisch dargestellt: In Kapitel 1 wird die Herkunft der Abwasserinhaltsstoffe und ihr Beitrag zur Verschmutzung des Gesamtabflusses aufgezeigt. Anschließend wird im 2. und 3.Kapitel beschrieben, wie sich die Abwasserinhaltsstoffe in der Kanalisation bewegen, unter welchen Bedingungen sie sich abzulagern beginnen und welche Einflussgrößen Ablagerungen verursachen. Die Menge der Ablagerungen und deren Zusammensetzung werden in Kapitel 4 behandelt. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird anschließend ab dem 5.Kapitel auf die Bedeutung der Ablagerungen für die Abwasserbeschaffenheit, insbesondere des Mischwassers, und ihren Schmutzstoffaustrag aus Kanalisationen näher eingegangen. Ein Schwerpunkt in diesem Zusammenhang sind in Kapitel 6 die Auswirkungen auf die Infrastruktur (Kanalisation, Kläranlage und Regenbecken) und die Problemfelder, welche bei anschließendem Eintrag in die Gewässer entstehen.

Letztlich wird im 7.Kapitel auf planerische Maßnahmen und existierende Reinigungsverfahren eingegangen, mit denen Ablagerungen entfernt, vermindert oder sogar vermieden werden können.

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1 Herkunft der Ablagerungen

Entwässerungsverfahren dienen dem Abtransport von verschmutztem Wasser aus Siedlungen. Neben den klassischen Misch- und Trennsystemen werden Modifika tionen zur Regulierung der Abflusshöhe oder Abflussfracht entwickelt.

Im Mischsystem werden häusliches, gewerbliches und industrielles Schmutzwasser gemeinsam mit dem Oberflächenabfluss in einem Kanal abgeführt. Beim Trennverfahren wird der Oberflächenabfluss getrennt vom Schmutzwasser abgeleitet.

Schmutz-, Regen- und Mischwasserabflüsse sind zwar grundsätzlich unterschiedlich zusammengesetzt, doch beeinflusst die Art des Entwässerungssystems die Zusammensetzung des Gesamtabflusses, der die Bildung und die Bemessung von Kanalablagerungen dominiert.

1.1 Eintragungspfade von Feststoffen in die Kanalisation

1.1.1 Abwassereinleitungen

Schmutzwasseranschlüsse stellen den Haupteintragungspfad für gelöste und partikuläre organische Stoffe dar. Neben den bekannten Stoffen wie Urin, Kot, Küchenabfällen und Papier, ist jedoch auch mit fasrigen (Hygieneartikel, Wattepads oder Textilien) und mineralischen Stoffen zu rechnen.

1.1.2 Oberflächeneintrag

Mit dem Niederschlagswasser werden hauptsächlich mineralische Schmutzstoffe von Dach-und Verkehrsflächen abgespült und in die Kanalisation eingeleitet. Dabei handelt es sich vor allem um Straßenkehricht, Abfälle und Streugut.

In Baustelle nbereichen werden oft große Mengen an Bauschutt und Erde eingetragen. Saisonal können beträchtliche organische Belastungen an Gras, Laub und kleinen Ästen auftreten. Atmosphärische Verunreinigungen haben auf die Bildung von Ablagerungen vernachlässigbaren Einfluss.

Die Menge des Oberflächeneintrags hängt stark vom abflusswirksamen Niederschlag, dem Abtragpotential und der Trennwirkung der Straßeneinlaufschächte zum Rückhalt von Schmutzstoffen ab; sie beträgt 30-70% der Fracht in Mischkanalisationen während eines Regenereignisses (IOSSIFIDIS 1986).

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1.1.3 Fremdwasser

Fremdwasser führt vor allem mineralische Stoffe und anstehenden Boden mit sich. Diese gelangen durch Ausspülen des Bodens um das Kanalrohr über schadhafte, undichte Stellen, das Einleiten klei nerer Bäche, sowie Sicker- und Grundwasser aus Haus- und Baustellendrainagen in die Kanalisation (PECHER 1998).

Der Fremdwasseranfall unterliegt stark jahreszeitlichen Schwankungen; im Winter fließt mehr, im Sommer weniger Fremdwasser zu. Das ATV-Handbuch (1994) gibt die Streubreite des Fremdwasseranteils zwischen 33% und 66% am Trockenwetterabfluss an, was einem Fremdwasserzuschlag von 50% bis 200% entspricht. Auch deutlich höhere Fremdwasserzuschläge von über 700% sind nach neueren Untersuchungen von FUCHS et al. (2003) nicht selten.

Fremdwasser ist meist nur gering verschmutzt, weswegen hohe Fremdwasserabflüsse, vor allem bei Trockenwetterabfluss, wie Spülungen wirken und so hydraulisch der Ablagerungsbildung entgegenwirken.

1.2 Schmutzstoffkonzentrationen

Die mit dem Abwasser geführte Schmutzfracht m S in [kg] lässt sich hinsichtlich ihres Verlaufes, ihrer Summe und ihrer mittleren Konzentration relativ exakt aus Messungen der Abflussganglinie und der Schmutzstoffkonzentration an einzelnen Stützstellen ermitteln. Dazu skCQ =⋅ müssen die abflussgewichteten Schmutzstoffkonzentrationen über die Zeit ^iTii integriert werden.

0

Die mittlere transportierte Schmutzstoffkonzentration C T ist eine maßgebende Größe des Sedimentations- und Erosionsgeschehens im Kanal. Sie errechnet sich aus dem Quotienten des Frachtvolumens Q S [m³/s] zum gesamten Abflussvolumen Q ges [m³/s].

= C T

In der Literatur sind viele Anhaltswerte für C T genannt, die sich zum Teil stark unterscheiden. In jüngster Zeit haben sich die Anhaltswerte

• C T = 0,03% für Schmutzwasser und

• C T = 0,05% für Misch- und Regenwasser

der ATV (2001), basierend auf MACKE (1982), durchgesetzt. HAGER (1998) schätzt die absoluten Schwankungen nur zwischen 0,002% und 0,008% ab. Viele neuere Untersuchungen

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wie beispielsweise von DETTE et al. (1996) oder MACKE et al. (2002) nennen jedoch wesentlich höhere Konzentrationen.

Nach IMHOFF (1999) sind die in die kommunale Kanalisation eingeleiteten Feststoffe zu 2/3 organisch und zu 1/3 mineralischer Natur. Bei NEITZEL und ISKE (1998) sind beide Fraktionen etwa gleich stark vertreten.

BROMBACH und FUCHS (2003) haben gemessene Verschmutzungskonzentrationen des Abwassers in Misch- und Trennkanalisationen zusammengetragen und statistisch ausgewertet. Für Zentraleuropa sind in der folgenden Tabelle die wichtigsten Leitparameter zur Charakterisierung des Abwassers hinsichtlich Schlamm, Sauerstoffzehrung, Nährstoffgehalt und Gift angegeben. Ähnliche Werte nennen auch LÜTZNER (1998) und LAUTRICH (1980).

Tab.1.1: Medianwerte der Verschmutzungskonzentrationen des Abwasser für Zentraleuropa

Mischwasserkonzentrationen der abfiltrierbaren Stoffe AFS von 264,0 mg/l können nicht alleine durch die Vermischung von Regen- und Schmutzwasser zustande kommen, da ihre Konzentrationswerte (153,0 bzw. 154,5 mg/l) beide geringer sind. Folglich muss eine andere Schmutzstoffquelle, nämlich die der erodierten Ablagerungen, für diesen hohen Wert ver-antwortlich sein. Gleiches gilt auch für die Bleikonzentrationen. Bei den CSB- und P ges -Konzentrationen ist der Verschmutzungsanteil der Kanalablagerungen nicht so offensichtlich. Doch wird einem Mischwasserereignis ein Verdünnungsverhältnis der Abflüsse von Schmutzwasser zu Regenwasser gleich 1:7 zugrundegelegt, dann lassen sich die Konzentrationswerte des Mischwassers auch nur durch Anteile von erodierten Kanalablagerungen erklären.

Durch die Betrachtung der Stickstoffkonzentrationen NH 4 -N und NO 3 -N unter obigem Verdünnungsverhältnis, lässt sich eine andere Eigenschaft der Ablagerungen vermuten. Im ⁺ ) Porenwasser der Ablagerungen sind wohl gelöste Schmutzstoffe wie Ammonium (NH 4

^- eingelagert,die zu Nitrat (NO 3 ) oxidiert werden, was die verhältnismäßig größeren Konzentrationsdifferenzen in der Mischwasserverschmutzung von NO 3 -N gegenüber NH 4 -N erklärt.

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2 Der Feststofftransport

Bevor die Bewegungen der Feststoffe im Kanal und Kriterien ihrer Sedimentation und Ablagerungsbildung dargelegt werden, ist zunächst der Begriff „Kanalablagerung“ zu definieren.

2.1 Definition "Kanalablagerung"

Kanalablagerungen sind Abwasserinhaltsstoffe, die im Abwasserstrom nicht in Schwebe gehalten werden können, auf die Kanalsohle sedimentieren und dort eine Bettschicht bilden.

SCHMITT (1992) versteht unter Ablagerungen alles, was sich an der Kanalwand ablagert. Demnach müsste auch die Sielhaut hinzugezählt werden. Da diese sich allerdings, außer für die Bedeutung des Schmutzstoffaustrags, hinsichtlich ihres Vorkommens und ihrer Zusammensetzung stark von den abgelagerten Feststoffen unterscheidet, wird in dieser Arbeit zwischen den Begriffen Ablagerung (Summe der abgelagerten Feststoffe) und Sielhaut (Biofilm auf der Kanalwand) differenziert.

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2.2 Das Schubspannungskonzept - theoretische Grundlage des Feststofftransports

Im Abwasser sind die Partikel der Ablagerungen enthalten. Damit diese sedimentieren, müssen bestimmte hydraulische Bedingungen eintreten, auf welche im Folgenden nun eingegangen wird.

2.2.1 Physikalische Modelle

Strömendes Abwasser übt eine treibende Kraft in Form einer Schubspannung auf die Kanalsohle aus. Diese Schubspannung heißt Sohlschubspannung oder auch Schleppspannung. Ihre Verteilung entlang des Kanalquerschnitts ist nicht konstant. Bei stationärer Strömung errechnet sich die mittlere Sohlschubspannung aus der Wichte γ des Abwasser, dem

hydraulischen Radius R h und dem Energieliniengefälle I E.

R ⋅ ⋅ = γ τ I (2.1) E h 0

τ rückhaltende Kräfte -ebenfalls in Form einer Schubspannung- auf Jede Sohle übt entgegen 0

das vorbeiströmende Abwasser und seine Inhaltsstoffe aus. Diese Schubspannung heißt τ ; sie ist die entscheidende Größe für Transportbeginn und kritische Sohlschubspannung c

Ablagerungsbildung, hängt von hydraulischen Größen (Dichte und Zähigkeit des Wassers) und von kornspezifischen Parametern (Dichte des Korns, Korngröße, Kornform, Sieblinie und τ noch heute Lagerung) ab. Für uniforme gleichförmige und nichtbindige Sedimente wird ^c nach SHIELDS (1936) ermittelt. Mit der Sedimentwichte s γ , dem Sedimentdurchmesser d S und

einem, von der Kornreynoldszahl abhängigen, dimensionslosen Scherparameter P sh , gilt: ( ) s

⋅ − ⋅ = τ . d P (2.2) γ γ s sh c

τ für nahezu alle Heute existieren zahlreiche Berechnungsansätze zur Bestimmung von ^c Sedimentarten, wie beispielsweise (HAGER/OLIVETO 2001), (NOVAK/NALLURI 1975) oder (BAGNOLD 1966). Nach FRÖHLICH (1985) unterscheiden sich sämtliche Ansätze jedoch bis um das fünffache. Gründe für diese große Streubreite sieht er vor allem in den Eigenschaften der unterschiedlichen Versuchsmaterialien wie Kornform, Oberflächenbeschaffenheit, Korn- τ . verteilung, etc. und weniger in den verschiedenen Versuchsanlagen oder Definitionen von c

τ also Sind die treibenden Kräfte des Abwassers geringer als die rückhaltenden der Sohle, ⁰ τ , kommt es zu Ablagerungen im Abwasserstrom. Ist 0 τ stets größer als c τ , kleiner als c

werden Ablagerungen sogar von der Kanalsohle gelöst.

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τ , bei In Abwasserströmen ist es notwendig zwischen einer kritischen Sohlschubspannung ^ca τ , bei der sie wieder erodieren, zu unterscheiden. der sich Ablagerungen bilden, und ce

Abhängig von der Verweilzeit und je nach Anteil an feinem anorganischen und kohäsivem organischen Material verpflastern sedimentierte Ablagerungen unterschiedlich stark. Es bildet sich eine Kruste. Großer Konsolidierungsdruck, bedingt durch die Dicke der Ablagerungsschichten, und biochemische Prozesse im Innern wirken zusätzlich unterstützend auf diesen Prozess. Die Krustenbildung erschwert die Abspülung der Sedimente, so dass für den τ erforderlich werden. ce τ ist demnach stets Erosionsprozess erhöhte Sohlschubspannungen ce

τ . Aufgrund fehlender Grundlagenuntersuchungen sind diese Einflüsse noch nicht größer als ca

genügend genau quantifizierbar (WESTRICH 1984).

Zum besseren Verständnis und zur Anwendung in der Praxis, lässt sich die kritische Sohlschubspannung in eine kritische mittlere Strömungsgeschwindigkeit umformulieren. Diese ist jedoch nur als Näherung für den Bewegungsbeginn aufzufassen, da sie den Einfluss der Turbulenz nicht berücksichtigt.

Unter Normalabfluss gilt für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v mit dem Reibungsbeiwert k str nach Gauckler-Manning-Strickler ^{2 1} (2.3) ⋅ ⋅ = ^{3 2} R I k v h E str

τ und c τ unter Berücksichtigung der Strickler-Durch Gleichsetzen der Sohlschubspannungen 0

Formel, erhält man die kritische Geschwindigkeit v c , bei der Korndurchmesser kleiner als d ^S erodieren.

≥ v c

Außer vom hydraulischen Radius R h , ist v c nur noch vom Wichteverhältnis abhängig, da γ γs

bei der Zunahme der Rauhigkeit das Produkt ( )

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2.2.2 Feststofftransportkapazität

Bei der Berechnung des kritischen Transportzustandes berücksichtigen physikalische Modelle zwar die Viskosität des Fluids ϑ indirekt über die Kornreynoldszahl, doch ist die effektive Viskosität des Abwassers nicht allein von ϑ , sondern auch von der Feststoffkonzentration C ^T abhängig. Mit zunehmender Feststoffbeladung und gleichbleibenden Abflussvolumen, nimmt die Transportfähigkeit des Abwasserstromes ab.

MACKE (1982) fand einen einfachen angenäherten Zusammenhang für den gerade noch ablagerungsfreien Feststofftransport in teilgefüllten Rohren. Dieser hängt nur von den Sedimenteigenschaften (Wichte s γ und Sinkgeschwindigkeit w S ) und dem Volumenstrom der ⋅ = Feststoffe ab. Q C Q ges T S

= τ

ca

Wird diese Sohlschubspannung eingehalten, ist eine rechnerische Ablagerungsfreiheit für den Bemessungsabfluss in teilgefüllten Rohren gewährleistet.

Was die Transportverhältnisse bei anderen Abflussständen anbelangt, so gibt WESTRICH (1984) an, dass auch Abflüsse für Füllungsgrade zwischen 10% und 100% mit Abweichungen bis 15% ablagerungsfrei abgeführt werden können, vorausgesetzt die Größen C T , w S und s γ bleiben konstant.

2.2.3 Quantitative Angaben des kritischen Strömungszustandes

τ In der Literatur finden sich zahlreiche Angaben, welche die kritische Sohlschubspannung ^c und die kritische Geschwindigkeit v c quantifizieren. Einige davon sind nachfolgend zusammengestellt.

Dem noch folgenden Kapitel "2.3.3 Einteilung der Transportzustände" sei hier vorweggenommen, dass sich der kritische Transportzustand nicht eindeutig festlegen lässt. Zahlenangaben jedoch erlauben dem Ingenieur etwaige Abschätzungen und verdeutlichen die Schwankungsbreite.

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