Erwärmt sich eine Rohrleitung, dehnt sie sich in Längsrichtung aus, kühlt sie ab, zieht sie sich zusammen. Jeder SHK-Profi weiß das und berücksichtigt die thermisch bedingte Längenänderung bei der Planung und Installation von Rohrleitungen, sei es im Heizungsbau, bei der Installation von Kühlsystemen oder Dampfleitungen. Wenn sich Rohrleitungen unkontrolliert ausdehnen, kann der Schaden groß 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 die gesamte Rohrleitung zerstört wird oder größere Schäden am Gebäude entstehen. Wie groß die Längenänderung ΔL (sprich: Delta L) ist, hängt vom Werkstoff ab, von der Leitungslänge und der Temperaturdifferenz. Mit folgender Formel wird sie berechnet:
ΔL = L x ΔT x α [mm]
ΔL = Längenänderung [mm]
L = Länge der Rohrleitung [m]
ΔT = Temperaturdifferenz [K]
α = Ausdehnungskoeffizient [mm/(m x K)]
Der thermische Ausdehnungskoeffizient α (sprich: Alpha) ist werkstoffabhängig. Er gibt an, um wie viel sich die Länge eines 1m langen Körpers bei einer Temperaturänderung von 1 Kelvin (1K) ändert. Die Wärmeausdehnung von Kunststoffen etwa ist sehr viel größer als die von Metallen. Der Ausdehnungskoeffizient von Stahl beispielsweise beträgt 0,012, der von PE 0,20. Ein Beispiel zur Veranschaulichung: Eine Heizungsleitung aus Stahl mit 20m Länge wird bei 15°C installiert. Die Betriebstemperatur dieser Leitung beträgt 65°C. Das Stahlrohr wird also bei Inbetriebnahme 12mm länger. Wäre die Rohrleitung nicht aus Stahl, sondern aus PE, würde sie sich um 200mm ausdehnen.
In der Praxis werden Kunststoffrohre eher als Kälteleitungen eingesetzt, wo die Temperaturdifferenzen nicht so groß sind und zudem nicht ihre Ausdehnung, sondern ihre Schrumpfung zu berücksichtigen ist. Das Beispiel zeigt auch, dass das Thema vor allem bei groß dimensionierten Installationen und weniger im Bereich der Haustechnik im Wohnbau relevant wird.
Bewegungen kompensieren
Um zu vermeiden, dass aus den Bewegungen des Rohrnetzes Schäden entstehen, muss der Rohrleitung eine gewisse Bewegungsfreiheit gelassen werden, indem Dehnungsausgleicher eingeplant werden. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei kleineren Rohrsystemen, etwa im Wohnhaus, mit geraden Leitungen unter 10m, genügt in der Regel der normale Leitungsverlauf mit seinen vielen Richtungsänderungen, um thermische Längenänderungen zu kompensieren.
Bei Bedarf stellen gleitende Rohrhalterungen (z.B. Gleitrohrschellen) sicher, dass sich die Rohre frei bewegen können. Bei Richtungsänderungen ist zusätzlich zu beachten, dass ein ausreichend großer Biegeschenkel vorgesehen wird. Bei längeren Leitungsabschnitten, größeren Rohrdurchmessern und bei 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
Die Wahl der passenden Lösung richtet sich meist nach den baulichen Gegebenheiten. 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. 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 sowohl die axialen Druckkräfte aufnehmen als auch die Verstellkraft des Kompensators.
Für die Wahl der Gleitelemente ist die maximale Längenänderung der Leitung ausschlaggebend. In der Praxis sollten Gleitelemente immer etwas größer gewählt werden, da sie oft in Mittelstellung eingebaut werden und dann bei Betriebstemperatur nicht mehr der gesamte Schiebeweg zur Verfügung steht. Zu berücksichtigen ist auch das Eigengewicht der Rohrleitung und der sich daraus ergebende Haftreibungswiderstand. Dieser muss bei der Inbetriebnahme der Rohrleitung überwunden werden und erzeugt bei Rohrbewegungen eine zusätzliche axiale Kraft auf die Haltekonstruktion, sodass unter Umständen zusätzliche Längsaussteifungen der Haltekonstruktion notwendig werden.
Unverzichtbar: Festpunkte
In den meisten Fällen gilt: keine gleitende Konstruktion ohne Festpunkte. Der Rohrleitung muss die Richtung vorgegeben werden, in die sie sich ausdehnen soll. Ein Fest- oder Fixpunkt fixiert die Leitung an einem Punkt und sorgt auf diese Weise für eine definierte Ausdehnung. Das Rohr bewegt sich immer vom Festpunkt weg. Festpunkte können auch gesetzt werden, um gerade Strecken in kürzere Teilabschnitte zu unterteilen und so für eine Dehnungsbegrenzung zu sorgen.
Bei Steigleitungen haben Festpunkte die Aufgabe, das Eigengewicht der Rohrleitung aufzunehmen. Rohrschellen übernehmen in diesem Fall nur eine Führungsfunktion. Eine weitere wichtige Funktion von Festpunkten ist es, Schwingungen bzw. Vibrationen der Leitung zu minimieren und Druckschläge auszugleichen.
Festpunkte richtig setzen
Für die Planung 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 einer Brandwand durch zu große Bewegungen der Leitung ein Festpunkt erforderlich? Jede Installation erfordert eine individuelle Planung, dennoch sind ganz allgemein einige Grundregeln zu berücksichtigen.
- Für eine optimale Krafteinleitung in das Bauwerk ist es sinnvoll, Festpunkte möglichst nah an den Befestigungsuntergrund zu setzen.
- Bei größeren Ausdehnungen können Festpunkte, die in der Mitte der Rohrleitung angeordnet werden, zu einer Halbierung der Rohrausdehnung beitragen.
- 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 abzufangen. Oft sind dann massive Verankerungen in der Bausubstanz erforderlich, um die teils erheblichen Lasten aufzunehmen.
Die passende Produktlösung
Um zu berechnen, welche Kräfte auftreten, und dementsprechend die richtigen Festpunkte auszuwählen, muss neben dem Leitungsverlauf und der Rohrdimension (dem Durchmesser des Rohres) auch die maximale Längenausdehnung in Betracht gezogen werden. Diese wird mittels der bereits oben genannten Größen berechnet:
- Länge der Rohrleitung (bzw. des längsten Streckenabschnitts)
- Material des Rohres
- Minimal- und Maximaltemperatur bzw. Temperaturdifferenz
Bei Steigleitungen ist zudem das Eigengewicht des Rohres zu berücksichtigen. Wird ein Kompensator eingesetzt, ist zu beachten, dass dadurch zusätzliche Kräfte auf den Festpunkt zurückwirken; die Angaben des Kompensatorherstellers hierzu müssen beachtet werden.
Festpunkte zeichnen sich vor allem durch ihre Lastaufnahme aus. Einige Festpunkte am Markt können große Kräfte aufnehmen, besitzen jedoch keine Schallentkopplung. Andere Produkte haben zwar eine Schallentkopplung, wie sie die DIN 4109 für den Hochbau vorschreibt, können aber wenig Kraft aufnehmen. Vorteilhaft sind daher Festpunkte, die beides verbinden, eine gute Körperschalldämmung und eine verlässliche und hohe Lastaufnahme.
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, z.B. PE-Rohre, Gussrohre oder sehr dünnwandige Rohre, gibt es die Festpunktvariante in Klemmausführung. 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.
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. Qualitätshersteller für Rohr- und Montagesysteme wie Mefa haben spezielle Lösungen für nahezu alle Befestigungsprobleme im Programm. Es gibt z.B. Festpunkte mit vormontierten Gelenkhaltern für eine schnelle und platzsparende Montage oder 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 Schwerlastrohrschelle fixieren; hier geschieht die Kraftübertragung ausschließlich über die Klemmwirkung der Schelle.
Fazit
Die thermisch bedingte Längenausdehnung gewinnt vor allem bei groß dimensionierten Installationen und hohen Systemtemperaturen Brisanz. Um Rohrbewegungen unter Kontrolle zu halten, müssen in diesen Fällen Dehnungsausgleicher wie Gleitelemente und Kompensatoren sowie Festpunkte zum Einsatz kommen. Die Planung erfordert die genaue Kenntnis des Rohrverlaufs sowie der baulichen Gegebenheiten. Für die Auswahl der passenden Produktlösung muss die maximale Rohrausdehnung berechnet werden, außerdem sind der Rohrdurchmesser und das Eigengewicht des Rohres zu berücksichtigen. Qualitätskriterien für Festpunkte sind eine hohe Lastaufnahme, eine gute Schalldämmung, eine unkomplizierte Montage mit möglichst wenig zusätzlichen Bauteilen sowie variable Befestigungsmöglichkeiten.
Info
Montageschritte bei der Festpunktmontage
Planung der Lage von Festpunkten anhand des Rohrleitungsverlaufes
Ermittlung der Festpunktkraft (über Berechnungsprogramme der Hersteller, z.B. Mefa Statik)
Auswahl des passenden Festpunktes (Kriterien: Festpunktkraft, Schallentkopplung, passend zu 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 oder durch zusätzliche Abstrebungen abgefangen 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 nur geklemmt. Bei Klemmfestpunkten wird die zulässige Klemmkraft nur über vorgegebene Anzugsdrehmomente der Rohrschelle erreicht. Weitere Laststeigerung ist bei Klemmfestpunkten nur über zusätzliche Schweißmuffen oder Anschweißflansche 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.
Extras
Für unterschiedliche Installationssituationen gibt es eine Vielzahl an Befestigungsprodukten. Neben einem Überblick finden Sie auch Planungshilfen von Mefa für die Rohrinstallation (Gewichts- und Rohrtabellen, Befestigungsabstände Rohrschellen, Berechnung Rohrdehnung, Festpunkt-Montageanleitung) zum Download unter
Autor
Dipl.-Ing. (FH) Volker Weber ist Produktmanager bei der Mefa Befestigungs- und Montagesysteme GmbH, 74635 Kupferzell, Telefon (0 79 44) 64-0, Telefax (0 79 44) 64-37, https://www.mefa.de/
