Jeder TGA-Profi weiß das: Erwärmt sich eine Rohrleitung, dehnt sie sich in Längsrichtung aus, kühlt sie ab, zieht sie sich zusammen. Die thermisch bedingte Längenänderung bei der Planung und Installation von Rohrleitungen, sei es im Heizungsbau, bei der Installation von Kühlsystemen oder Dampfleitungen, ist enorm wichtig.
Wenn sich Rohrleitungen unkontrolliert ausdehnen, kann der Schaden groß und je nach Medium auch gefährlich sein: Befestigungen und Rohrhalterungen werden beschädigt oder reißen ab. Armaturen, angeschlossene Heizungs- oder Kälteanlagen werden in Mitleidenschaft gezogen. Im schlimmsten Fall kann es passieren, dass das gesamte Rohrsystem zerstört wird oder größere Schäden am Gebäude entstehen.
Wie groß die Längenänderung L ist, hängt vom Werkstoff ab, von der Leitungslänge und der Temperaturdifferenz:
- ΔL Längenänderung in mm
- L Länge der Rohrleitung in m
- ΔT Temperaturdifferenz in K
- α Ausdehnungskoeffizient in mm/(mK)
Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist werkstoffabhängig (bei Rohrleitungen u. U. auch vom Zusammenwirken mehrerer Werkstoffe in einer Konstruktion, beispielsweise bei Verbundrohren). Die Wärmeausdehnung von Kunststoffen ist sehr viel größer als die von Metallen. Der Ausdehnungskoeffizient von Edelstahl beträgt beispielsweise 0,012 mm/(mK), der von Polyethylen (PE) liegt mit 0,20 mm/(mK) deutlich darüber. Zwischen diesen Werten der Druckprüfung befinden sich Edelstahl mit 0,0165 mm/(m K), Kupfer mit 0,0166 mm/(mK), PVC mit 0,08 mm/(mK) und Polypropylen (PP) mit 0,15 mm/(mK).
Beispiel: Zwei Heizungsleitungen aus Edelstahl und PE mit jeweils 20 m Länge werden parallel bei 15 °C installiert. Die Betriebstemperatur der Leitungen beträgt 65°C. Das Stahlrohr wird sich dann um 12mm und das PE-Rohr um 200mm ausdehnen.
In der Praxis werden einschichtige Kunststoffrohre eher als Kälteleitungen eingesetzt, wo die Temperaturdifferenzen nicht so groß sind und zudem nicht ihre Ausdehnung, sondern ihre Schrumpfung gegenüber dem Montage-Zustand zu berücksichtigen ist.
Bewegungen des Rohrsystems kompensieren
Um zu vermeiden, dass aus den Bewegungen des Rohrsystems Schäden entstehen, muss der Rohrleitung eine gewisse Bewegungsfreiheit gelassen werden. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei kleineren Rohrsystemen, etwa im Wohnhaus, mit geraden Heizungs-Leitungen unter 10 m Länge, genügt in der Regel der normale Leitungsverlauf mit Richtungsänderungen, um thermische Längenänderungen zu kompensieren.
Ausreichend großen Biegeschenkel vorsehen
Bei Bedarf stellen gleitende Rohrhalterungen (z.B. Gleit-Rohrschellen) sicher, dass sich die Rohre frei bewegen können. Bei Richtungsänderungen ist zusätzlich zu beachten, dass ein ausreichend großer Biegeschenkel vorgesehen wird.
Wann sind besondere Maßnahmen erforderlich?
Bei längeren Leitungsabschnitten, größeren Rohrdurchmessern und höheren Systemtemperaturen sind besondere Maßnahmen erforderlich. Hier müssen Gleitelemente zum Einsatz kommen und, je nach Installationsfall, Dehnungsbögen oder Kompensatoren. Diese bestehen im Kern aus einem flexiblen Element, welches die Längenänderung des Rohres aufnehmen kann und somit verhindert, dass sich das Rohr zwischen zwei Festpunkten verformt.
Kompensatoren und Gleitelemente: So wählen Sie die richtige Lösung
Die Wahl der passenden Lösung richtet sich meist nach den baulichen Gegebenheiten des Rohrsystems. Ist genügend Platz vorhanden, versucht man in der Regel, die Bewegungen der Rohrleitung mittels Dehnungsbögen zu kompensieren. Kompensatoren kommen immer dann zum Einsatz, wenn dies aufgrund von Platzmangel nicht möglich ist.
Führungslager vor und nach Kompensator vorsehen
Bei der Planung von Kompensatoren sind unmittelbar vor und nach dem Kompensator Führungslager vorzusehen, um ein Ausknicken der Rohrleitung im Bereich des Kompensators zu vermeiden. Außerdem sind ausreichend dimensionierte Festpunkte an den Enden der kompensierten Leitungsabschnitte einzuplanen. Diese müssen die axialen Druckkräfte und auch die Verstellkraft des Kompensators aufnehmen.
Gleitelemente größer wählen
Für die Wahl der Gleitelemente ist die maximale Längenänderung der Leitung ausschlaggebend. Gleitelemente sollten immer etwas größer gewählt werden, da sie oft in Mittelstellung eingebaut werden und dann bei Betriebstemperatur nicht mehr der gesamte Schiebeweg zur Verfügung steht.
Eigengewicht der Rohrleitung berücksichtigen
Zu berücksichtigen ist auch das Eigengewicht der Rohrleitung und der sich daraus ergebende Haftreibungswiderstand. Dieser muss bei der Inbetriebnahme (Erwärmung) der Rohrleitung überwunden werden und erzeugt bei Rohrbewegungen eine zusätzliche axiale Kraft auf die Haltekonstruktion, sodass unter Umständen zusätzliche Längsaussteifungen der Haltekonstruktion notwendig werden.
Gleitelemente für unterschiedliche Anwendungen
Können Rohrbewegungen bei kleineren Installationen noch mittels Gleitrohrschellen kompensiert werden, sind für größer dimensionierte Rohrsysteme und bei großen Temperaturdifferenzen Gleitelemente erforderlich. Hersteller von Befestigungstechnik für den SHK-Bereich haben für unterschiedliche Anwendungen optimierte Produkte im Programm.
Hängebügel: Bei Einzelbefestigung mit Gewindestangen an der Decke genügt oft ein mit einem Langloch versehener Hängebügel, um Rohrbewegungen auszugleichen und den Gewindestab zu entlasten
Deckenhänger: Ebenfalls für die Deckenmontage, für etwas massivere Anwendungen empfehlenswert, bei denen ein Hängebügel nicht ausreicht
Gleiter: Mit Gleitkufen aus Polyamid zur Aufnahme von axialen Längenänderungen.
Gleiter radial-axial: Montageeinheit aus Gleiter und Schienengleiter. Für Anwendungen geeignet, bei denen zusätzlich zur axialen Ausdehnung auch mit Bewegungen quer zur Rohrleitung zu rechnen ist, z. B. vor und nach Bögen
Schienengleiter: Für Installationen, bei denen die Rohrleitung in gleicher Richtung wie die Montageschiene verläuft
Gleitplatte: Zur Aufnahme von Längenausdehnungen größerer Rohre. Geeignet für die hängende und stehende Rohrmontage. Benötigtes Zubehör: Gleitstreifen aus Polyamid und Z-Niederhalter. Kombiniert mit einem Gleitelement radial-axial (Abbildung) nimmt sie radiale und axiale Ausdehnungen von Rohrleitungen auf.
Rollenlager: Spezialprodukt zur Aufnahme von Längenausdehnungen. Gleitet nicht, sondern rollt. Aufgrund des viel geringeren Rollwiderstands im Vergleich zu herkömmlichen Gleitern entstehen beim Anfahren der Rohrleitung nicht so hohe Axialkräfte.
Gleitlager: Gleitelemente für sicheres Gleiten und zur Aufnahme von großen Rohrdimensionen. Kommt vor allem im Industrie- oder Anlagenbau zum Einsatz.
Gleitschlitten: Wie das Gleitlager eine Produktlösung für große Rohrdimensionen, wie sie vor allem im Industrie- oder Anlagenbau zum Einsatz kommen
Keine gleitende Konstruktion ohne Festpunkte
In den meisten Fällen gilt: keine gleitende Konstruktion ohne Festpunkte. Der Rohrleitung muss die Richtung vorgegeben werden, in die sie sich ausdehnen soll. Eine Fix- oder Festpunktkonstruktion fixiert die Leitung an einem Punkt und sorgt auf diese Weise für eine definierte Ausdehnung.
In kürzere Teilabschnitte unterteilen
Festpunktkonstruktionen können auch eingesetzt werden, um gerade Strecken in kürzere Teilabschnitte mit eigener Möglichkeit zur Ausdehnungskompensation zu unterteilen, und so für eine Bewegungsbegrenzung sorgen. Bei Steigleitungen haben Festpunkte die Aufgabe, das Eigengewicht der Rohrleitung aufzunehmen. Rohrschellen übernehmen in diesem Fall nur eine Führungsfunktion.
Druckschläge ausgleichen
Eine weitere wichtige Funktion von Festpunkten ist es, Schwingungen bzw. Vibrationen der Leitungen zu minimieren und Druckschläge der Rohrsysteme auszugleichen.
Festpunkte richtig setzen
Für die Planung und Montage von Festpunkten müssen der genaue Verlauf der Rohrleitung sowie die baulichen Gegebenheiten beachtet werden. Wo sind Wände, wo könnte es zu Kollisionen kommen, wenn sich die Rohrleitung bewegt? Ist vor dem Durchdringen einer Brandwand aufgrund zu großer Bewegung der Leitung ein Festpunkt erforderlich?
Grundregeln berücksichtigen
- Für eine optimale Krafteinleitung in das Bauwerk ist eine Montage der Festpunkte möglichst nah an den Befestigungsuntergrund sinnvoll.
- Bei größeren Ausdehnungen können Festpunkte, die in der Mitte der Rohrleitung angeordnet werden, eine Halbierung der Rohrbewegung bewirken.
- Auf einer geraden Strecke dürfen ohne zwischengeschalteten Dehnungsbogen oder Kompensator keine zwei Festpunkte gesetzt werden.
- Bei stehenden Leitungen sollte der Festpunkt möglichst weit unten angebracht werden, um das komplette Eigengewicht der Rohrsysteme abzufangen. Oft sind dafür massive Verankerungen (bspw. durch Rohrschellen) im Bauwerk erforderlich, um die teils erheblichen Lasten aufzunehmen.
Festpunkte: So wählt man die passende Produktlösung
Maximale Längenausdehnung berechnen
Um zu berechnen, welche Kräfte auftreten und damit die richtigen Festpunkte auszuwählen, muss neben dem Leitungsverlauf und der Rohrdimension auch die maximale Längenausdehnung in Betracht gezogen werden. Diese wird mittels der bereits oben genannten Größen berechnet. Bei Steigleitungen ist zudem das Eigengewicht des Rohres inklusive des Mediums zu berücksichtigen.
Angaben des Kompensator-Herstellers beachten
Wird ein Kompensator eingesetzt, ist zu beachten, dass dadurch zusätzliche Kräfte auf den Festpunkt (meistens abhängig vom Betriebsdruck) wirken; die Angaben des Kompensator-Herstellers hierzu müssen beachtet werden.
Körperschalldämpfung und hohe Lastaufnahme verbinden
Festpunkte müssen sich vor allem durch ihre Lastaufnahme auszeichnen. Einige Festpunkte am Markt können große Kräfte aufnehmen, besitzen jedoch keine Schallentkopplung. Andere Produkte haben zwar eine Schallentkopplung, wie sie beispielsweise DIN 4109 vorschreibt, können aber nur geringe Kräfte aufnehmen. Vorteilhaft sind deshalb Festpunkte, die beides verbinden, eine gute Körperschalldämpfung und eine verlässliche und hohe Lastaufnahme.
Schallentkoppelte Druckstücke anschweißen
Diese geschieht etwa beim Mefa-Festpunkt Typ A über schallentkoppelte Druckstücke, die an die Rohrleitung angeschweißt werden. Für Rohre, bei denen Schweißen nicht möglich ist, beispielsweise PE- und Gussrohre oder sehr dünnwandige Rohre, gibt es die Festpunktvariante in einer Klemmausführung.
Festpunktkonsole anschweißen
Die Verbindung zum Bauwerk erfolgt in der Regel über eine angeschweißte Festpunktkonsole. Bei großen Rohrdurchmessern kommen Festpunkte zum Einsatz, die über zwei Festpunktkonsolen mit dem Bauwerk verbunden werden und somit die doppelte Last aufnehmen können.
Was zeichnet gute Festpunkte aus?
Weitere Qualitätskriterien für Festpunkte sind Montagefreundlichkeit – also schnelle und sichere Montage mit möglichst wenig zusätzlichen Bauteilen – sowie variable Befestigungsmöglichkeiten, aus denen der Verarbeiter je nach Installationssituation wählen kann.
Lösungen für fast alle Befestigungsprobleme
Qualitätshersteller für Rohr- und Montagesysteme haben spezielle Lösungen für nahezu alle Befestigungsprobleme im Programm. Es gibt beispielsweise Festpunktkonstruktionen mit vormontierten Gelenkhaltern (Universalgelenk) zur schnellen und platzsparenden Montage und auch die Möglichkeit des Anbringens an einen Stahlträger mittels einer Klemmvorrichtung. Und dies bei hoher Kraftaufnahme und gleichzeitiger Schallentkopplung. Eine einfache Lösung für kleine Dimensionen bieten Klemmfestpunkte, die die Rohrleitung mithilfe einer Schwerlast-Rohrschelle fixieren; hier geschieht die Kraftübertragung ausschließlich über die Klemmwirkung der Schelle.
Festpunkte: Von der Auswahl bis zur Montage
- Planung der Lage von Festpunkten anhand des Rohrleitungsverlaufs und benachbarter Installationen
- Ermittlung der Festpunktkraft über die technische Abteilung der Hersteller, z. B. der Mefa Anwendungstechnik
- Auswahl des passenden Festpunkts mit den Kriterien: Festpunktkraft, Schallentkopplung, Rohrtyp, Befestigungsuntergrund
- Die übertragbare Festpunktkraft ist vom Abstand der Rohrachse zum Bauwerk abhängig – je größer der Abstand, umso geringer die Kraftübertragung. Diese kann jedoch durch die Wahl einer größeren Konsole oder eines größeren Anschlussgewindes am Rohr und / oder durch zusätzliche Abstrebungen erhöht werden.
- Schallentkopplung wird durch im Festpunkt integrierte Schalldämmelemente erreicht oder durch zusätzliche Schalldämmplatten und -hülsen
- Je nach Material des Rohres wird der Festpunkt entweder am Rohr angeschweißt oder geklemmt. Bei Klemmfestpunkten wird die Klemmkraft nur über vorgegebene Anzugsdrehmomente der Rohrschelle erreicht. Eine weitere Steigerung der Lastaufnahme ist bei Klemmfestpunkten nur über zusätzliche Schweißmuffen oder Anschweißflansche (Vorschweißflanschen) bzw. -ringe zu erreichen.
- Der Befestigungsuntergrund muss die Festpunktkraft im Bauwerk aufnehmen. Im Beton können Kräfte einfacher über zugelassene und hochfeste Dübel eingeleitet werden als im Mauerwerk. Dort sind oft Sonderlösungen oder zusätzliche Wandschienen und Abstrebungen notwendig.
Dieser Artikel ist eine Überarbeitung des Artikels „Kontrollierte Bewegung richtig fixierter Rohre“ von Dipl.-Ing. (FH) Volker Weber, erschienen in TGA 03-2017.
