Berechnung des Wassersäulendrucks

Bei der Stärkung der Infrastruktur und vor allem bei der Abdichtung gegen Wasser müssen Fachleute vor Ort unter Umständen den Wassersäulendruck berechnen. Hier stellt sich oft die Frage, wie der Wassersäulendruck unter verschiedenen Umständen ermittelt wird. Es ist wichtig, dass man mit der Berechnung des Wassersäulendrucks vertraut ist, da es die Projektplanung vereinfacht. Die Berechnung ist ganz einfach.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen

  1. 1. Erläutern, wie der Wassersäulendruck gemessen wird und 
  2. 2. Eine einfache Messanleitung zur Verfügung stellen. 

Ein Wasserturm vor den Idaho Falls

Der Wassersäulendruck an einer bestimmten Stelle hängt ausschließlich von der Höhe (oder Tiefe) des Wassers an dieser Stelle ab.  Im Folgenden werden wir uns einige Beispiele ansehen.

Abbildung mit Vergleich von Wasserturm und unterirdischen Rohren

Ein Wasserturm mit einem Durchmesser von 6 Metern ist 30 Meter hoch und vollständig gefüllt. Der Wasserpegel befindet sich 30 Meter über der Erde. Der Wassersäulendruck auf Bodenhöhe würde 30 Meter betragen. Der Wassersäulendruck wird nicht durch die gesamte Wassermenge beeinflusst, sondern nur durch die Höhe des Wassers. In der Nähe befinden sich zwei Steigleitungen mit einem Rohrdurchmesser von 5 cm bzw. 10 cm sowie einer Höhe von 30 Metern. Beide Rohre sind mit Wasser gefüllt. Der Wassersäulendruck auf Bodenhöhe würde also 30 Meter betragen. Weder die gesamte Wassermenge noch der Rohrdurchmesser werden bei der Berechnung des Wassersäulendrucks berücksichtigt. Die einzigen Faktoren, die hier relevant sind, sind die Höhe und die Tiefe der Rohre.

Weit verzweigtes Rohrleitungssystem

Abbildung eines weit verzweigten Rohrleitungssystems

Eine Fertigungsstätte verfügt über eine Abdichtung an der Unterseite eines komplexen Rohrleitungssystems. Das System erstreckt sich seitlich über Hunderte von Metern auf verschiedenen Höhen und weist unterschiedliche Rohrdurchmesser auf. An einer Stelle ist das System bis 6 Meter über der Abdichtung mit Wasser gefüllt. Der Wassersäulendruck an der Abdichtung beträgt 6 Meter. Der Rohrdurchmesser und wie weit sich die Rohre seitlich erstrecken, haben keine Auswirkung auf den Wassersäulendruck. Eine zweite Abdichtung, die sich 30 Meter entfernt genau auf der gleichen Tiefe befindet, weist ebenfalls einen Wassersäulendruck von 6 Metern auf. Nur die Höhe des Wassers über der Abdichtung ist hier maßgeblich.

Wenn es im gleichen Werk eine Abdichtung gäbe, die zwei Rohrabschnitte verbindet und beide Rohrabschnitte mit Wasser gefüllt sind, wäre der Wassersäulendruck die DIFFERENZ zwischen der Höhe/Tiefe des Wassers auf den beiden Seiten. 6 Meter Wasser auf Seite 1 und 4,5 Meter Wasser auf Seite 2 würden einen Wassersäulendruck von 1,5 Meter ergeben, der von Seite 1 auf Seite 2 einwirkt. Der Druck von 4,5 Meter auf Seite 2 wirkt quasi gegen die 6 Meter Druck auf Seite 1 und gleicht diesen aus.

Ein Vergleich von Schächten

Abbildung mit einem Vergleich von Mannlöchern

Zwei Schächte, die beide gleich tief sind (in diesem Beispiel 3,6 Meter) befinden sich auf Bodenhöhe. Da der Standort von Schacht 2 ein paar Straßen weiter aber etwas höher gelegen ist, liegt er 1,5 Meter höher als Schacht 1. Wenn der Grundwasserspiegel bei beiden Schächten die gleiche Tiefe aufweist, ist der Wassersäulendruck für ein abgedichtetes Rohr an der Unterseite von Schacht 2 um 1,5 Meter geringer als der von Schacht 1. Das liegt daran, dass bei der Messung von der Unterseite der Schächte das Wasser bei Schacht 2 sich um 1,5 Meter weiter unten befindet. Bitte beachten Sie, dass in diesen Beispiel die Rohre leer sind und der Wassersäulendruck auf das Grundwasser zurückzuführen ist, das nach oben auf die Abdichtung drückt.

Sehen wir uns jetzt wieder zwei identische Schächte an, die jeweils 3,6 Meter tief sind. Schacht 1 befindet sich in Denver auf einer Höhe von 1615 Meter über dem Meeresspiegel und Schacht 2 in Minneapolis, auf einer Höhe von 253 Metern über dem Meeresspiegel. Beide Schächte sind bis ganz oben mit Wasser gefüllt. Der Wassersäulendruck für ein abgedichtetes Rohr an der Unterseite der beiden Schächte beträgt 3,6 Meter. Die Höhenlage spielt hier keine Rolle. Die einzige Angabe, die hier relevant ist, ist die Tiefe des Wassers am jeweiligen Standort.

Horizontalbohrtechnik

Abbildung von mit der Horizontalbohrtechnik verlegten Leitungen

Jupiter Island in Florida wird über Leitungen mit Strom versorgt, die in unter der zwischen den Küsten gelegenen Wasserstraße gebohrten Rohren verlegt sind. Jupiter Island liegt 4,5 Meter über dem Meeresspiegel, während das Festland 7 Meter über dem Meeresspiegel liegt. Unabhängig von der Tiefe oder der Form der Bohrung oder den vorherrschenden Gezeiten liegt an einer Abdichtung auf der Insel, die sich auf einer Höhe von 4,5 Metern über dem Meeresspiegel befindet, kein Wassersäulendruck vor, weil sich kein Wasser darüber befindet. Der Wassersäulendruck hängt immer von der Tiefe des Wassers an der jeweiligen Stelle ab. Wenn sich ein abgedichtetes Rohr jedoch bei Ebbe in einer Tiefe von 3 Metern befindet, beträgt der Wassersäulendruck bei Ebbe 3 Meter. Der Wassersäulendruck erhöht sich, wenn der Wasserstand bei auflaufender Flut steigt.

Die Wassersäule ist die Wasserhöhe

Die Wassersäule basiert nur auf der Wasserhöhe im System. Eine Abdichtung kann erfolgen, um das Wasser aus einem System fernzuhalten oder um das Wasser im System zu halten. In beiden Fällen basiert der Druck auf die Abdichtung auf der Wasserhöhe. Systeme weisen zwar eine unterschiedliche Komplexität auf, doch die Berechnung des Wassersäulendrucks ist ein einfaches Konzept.

Trotz der Informationen, die zum Wassersäulendruck verfügbar sind, wird er durch folgende Faktoren NICHT beeinflusst:

  • Die gesamte Wassermenge
  • Den Rohrdurchmesser
  • Die horizontale Länge des Rohrs
  • Die Höhe des Systems über dem Meeresspiegel.

Die Beispiele in diesem Beitrag veranschaulichen, dass der Wassersäulendruck nur von der Höhe (oder Tiefe) des Wassers über einer bestimmten Stelle abhängt, und dass die Komplexität des Systems dabei keine Rolle spielt. Wenn sich über der Abdichtung kein Wasser befindet, gibt es keinen Wassersäulendruck.