Kräftefänger im Raum

Bei Temperaturerhöhungen dehnen sich Rohrleitungen aus und können dabei nicht unerhebliche Schadenspotenziale entfalten. Sinnvoll platzierte Festpunkte und Gleit­elemente lenken temperaturbedingte Ausdehnungen jedoch in sichere Bahnen. Dieser Beitrag liefert Praxistipps – mit Schwerpunkt auf Gleitelementen.

Rohre dehnen sich mit steigender Temperatur aus. Für technische Anwendungen wird ein linearer Ansatz für die Berechnung gewählt, bei dem sich die Längenänderung aus dem Produkt der ursprünglichen Länge mit der Temperaturdifferenz und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α ergibt. Bei Stahl beträgt α etwa 0,012 mm/(m · K). Ein Stahlrohr mit 10 m Länge dehnt sich bei 50 K Temperaturanstieg somit um 6 mm aus.
Für Edelstahl liegen die Werte für Ausdehnungskoeffizienten etwas höher als bei Baustahl. Je nach Legierung betragen diese bis zu 0,018 mm/(m · K). Und um eine ganze Größenordnung höhere Werte ergeben sich für Kunststoffe. Die Werte von α für PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) liegen zwischen 0,15 und 0,2 mm/(m · K).

Rohre kleiner Durchmesser meist unproblematisch
Die Effekte der thermischen Ausdehnung sind in der Praxis des Rohrleitungsbaus stets zu berücksichtigen. Sind die Rohrdurchmesser gering, so werden Längenänderungen durch Biegungen und Richtungswechsel der Rohrleitungen aufgenommen. Rohrleitung und Befestigungselemente verformen sich also. Hierzu formuliert Volker Weber, Produktmanager MEFA Befestigungs- und Montagesysteme GmbH, eine einfache Faustformel: „Bei kleineren Rohrsystemen, etwa im Ein- oder Zweifamilienhaus mit geraden Leitungen unter 10 m, genügt in der Regel der normale Leitungsverlauf mit seinen vielen Richtungsänderungen, um thermische Längenänderungen zu kompensieren. In Zweifelsfällen stellen gleitende Rohrhalterungen wie Gleitrohrschellen sicher, dass sich die Rohre etwas bewegen können. Bei Richtungsänderungen ist zusätzlich zu beachten, dass ein ausreichend großer Biegeschenkel vorgesehen wird.“
Anders sieht das mit größeren Rohrdurchmessern und Längen aus. Eine einfache Steigleitung aus Stahl für die Zentralheizung in einem Mehrfamilienhaus kann große Kräfte entfalten, wenn ihre Ausdehnung behindert wird. Überschlägige Rechnungen ergeben hier Größenordnungen, die durchaus den Gewichtskräften eines mittelgroßen Lkws entsprechen. Die Lösung besteht in diesem Fall aus einem sinnvollen Zusammenspiel von Festpunkten und Gleitelementen, das die Ausdehnungen in vorbestimmte und unschädliche Bahnen lenkt.
Bei Rohrleitungen mit großen Durchmessern sind Faustformeln natürlich nicht mehr ausreichend. Für Berechnungen müssen zunächst der genaue Verlauf der Rohrleitungen sowie ihre Belas­tung durch Temperaturwechsel bekannt sein. Im zweiten Schritt sind die Festpunkte sinnvoll festzulegen. Von diesen aus lassen sich dann die Maßnahmen mit Gleitelementen auswählen und exakt berechnen.

Zwei Methoden zum Ausgleich thermischer Ausdehnungen
Grundsätzlich erfolgt die Kompensation von Längenänderungen über zwei Methoden. Die erste sind Dehnungsbögen in der U- und der L-Variante. Bei der U-Form bilden vier 90°-Bögen und zwei Biegeschenkel eine Ausbuchtung der Rohrleitung. Die Längenänderung wird durch Verformung der Bögen und der Biegeschenkel des U-Bogens kompensiert. Je länger die Biegeschenkel sind, umso geringer sind die Belastungen der Bögen durch die Verformung. Nachteil ist der Platzbedarf. Diese Form der Kompensation kann im Freien, z. B. bei Fernwärmeleitungen auf Rohrbrücken gesehen werden, sie wird aber auch im Innenbereich verwendet.
Die L-Variante ist sinnvoll, wenn die Rohrleitung im 90°-Winkel verlaufen soll. Sind die Rohrenden dann mit einem Festlager fixiert, so erfolgt die Kompensation durch Verformung. Der Rohrbogen wandert bei Erwärmung nach außen, wobei zu prüfen wäre, ob die Ausdehnung eventuell zu Kollisionen mit der Wand oder mit anderen Rohren führt. Es ist also entsprechend Platz vorzusehen – ebenso wie Gleitelemente im Bereich des Bogens, die sowohl in Rohrachse als auch quer zur Rohrachse gleiten können, sogenannte radial-axiale Gleiter.
Die Zweite Methode zum Ausgleich von thermischen Ausdehnungen sind Kompensatoren. Weit verbreitet ist hier der Axialkompensator, der sich in axialer Richtung strecken oder stauchen lässt. Standardanwendungen sind längere Rohrleitungen, die auf einer geraden Rohrstrecke jeweils an deren Enden mit Festpunkten fixiert sind. Je nach Innendruck und Korrosivität der Medien gibt es Kompensatoren aus Materialien wie Gummi, Gewebe oder Metall. Bei Kompensatoren ist zu berücksichtigen, dass bei der Deformation Rückstellkräfte entstehen, die durch die Festpunkte aufzufangen sind. Diese sind natürlich wesentlich geringer als die Kräfte, die ein fest eingespanntes Rohr bei Erwärmung auf die Festpunkte ausüben würde. Außerdem sind in der Nähe von Kompensatoren Führungslager einzuplanen, um ein Ausknicken der Rohrleitung beim Kompensator zu verhindern.
Nur durch den Einsatz von Festpunkten können Gleitelemente definierte Bewegungen aufnehmen. So verhindern sie unkontrollierte Verformungen, die zum Rohrleitungsbruch oder zur Zerstörung der Verankerungen im Bauwerk führen können.

Gleitelemente und ihre Anwendungsbereiche
Bei den Gleitelementen gibt es eine große Vielfalt. Das einfachste Prinzip beruht auf Langlöchern in Befestigungselementen. Die Rohrabhängung erfolgt über eine Gewindestange, die sich frei im Langloch bewegen kann. Zwei gekonterte Muttern halten das Rohr auf der gewünschten Höhe. Solche Bauteile bietet der Befestigungs- und Montagspezialist MEFA unter den Namen Hängebügel, Deckenhänger und Schiebestück an. Diese Lösungen sind für kleine Verschiebewege, geringe Kräfte und nur für Rohrabhängungen geeignet. Dafür sind diese Elemente eine sehr kostengüns­tige Lösung.
Der zweite Typ basiert auf Gleitplatten, Gleitschlitten oder Gleitlagern, die auf einem ebenen Untergrund gelagert sind. Die seitliche Bewegung der Gleitelemente wird durch verschiedene Arten von Niederhaltern verhindert. Ein Gleitstreifen, z. B. aus Polyamid, sorgt für geringe Haftreibwerte. Diese Konstruktionen sind für hohe mechanische Belastungen das Mittel der Wahl. Sie sind so wie auch die folgende Variante für stehende, hängende oder vertikal verlegte Rohre, also Steigleitungen, geeignet.
Am häufigsten verwendet ist bei MEFA die Gleiterfamilie GL. Hier läuft ein Schlitten auf zwei Kufen aus Polyamid, die von beiden Seiten umfasst werden, sodass kein seitliches Ausweichen möglich ist. Sicherheitsnasen, die nach der Montage umzubiegen sind, verhindern später ein Ausgleiten. Die Gleiter lassen sich auf einem festen Untergrund verdübeln oder mit Schnellmontagetechniken auf einer Montageschiene befestigen. Diese Art der Gleiter gibt es auch als radial-axiale Gleiter.

Gleiter mit Rollenlagern
Der letzte und konstruktiv aufwendigste Gleitertyp sind die Rollenlager. Diese können nicht nur hohe Kräfte übertragen, sie haben auch vernachlässigbare Widerstände beim Anfahren. Nur die Rollreibung ist hier zu überwinden. Bei allen anderen Konstruktionen sind Haftreibungswiderstände zu berücksichtigen und ggf. nachzurechnen.
Die Rollenlager von MEFA funktionieren bei stehender und hängender Montage, aber auch bei seitlicher Wandmontage. Durch die seitliche Kugellagerung wird das Verkanten durch das entstehende Drehmoment verhindert und lässt auch in dieser Lage eine Verschiebung zu. Damit werden sie zur einzigen konstruktiven Lösung für horizontal an der Wand entlang verlegte Rohrleitungen.
Neben den hier dargestellten Varianten gibt es weitere Nischenprodukte für zum Teil sehr spezielle Fälle.

Fazit
Die Ausführungen zeigen, dass der Ausgleich von thermischen Ausdehnungen schnell zur anspruchsvollen technischen Aufgabe wird, die bei größeren Rohrdimensionen sowohl Erfahrungen als auch komplexe Berechnungen erfordern. Im Zweifelsfall sollten sich Planer und installierende Betriebe an den Support der Hersteller wenden. 

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Volker Weber, Produktmanager bei der MEFA Befestigungs- und Montagesysteme GmbH, Kupferzell

Bilder: MEFA

www.mefa.de

Kriterien für das Platzieren von Festpunkten
Bei Steigleitungen, z. B. im Wohnungsbau, sind Festpunkte unten vorzusehen, damit die Krafteinleitung in die Gebäudestruktur möglichst in der Nähe der Fundamente erfolgt.
Festpunkte in der Nähe von Maschinen können die Übertragung von Vibrationen auf das Rohrleitungsnetz erheblich verringern.
Bei größeren Ausdehnungen können Festpunkte, die in der Mitte der Rohrleitung angeordnet werden, zu einer Halbierung der Rohrausdehnung führen.
Auf einer geraden Strecke dürfen ohne zwischengeschalteten Dehnungsbogen oder Kompensator keine zwei Festpunkte gesetzt werden. Eine Ausnahme kann hier nur bei Kunststoffrohren gemacht werden. Diese sind aber dann als eingespanntes System zu berechnen.
Wird ein Kompensator eingesetzt, so ist zu berücksichtigen, dass dadurch zusätzliche Kräfte auf die Festpunkte wirken. Die Angaben des Kompensatorherstellers sind zu beachten.

Häufige Montagefehler bei Gleitelementen
Falsche Positionierung des Gleitelements
Oft wird das Gleitelement in Bezug auf den Schiebeweg mittig montiert, sodass für die Ausdehnung nur die Hälfte der möglichen Strecke zur Verfügung steht. Abhilfe: Beachtung der Schieberichtung und der Einbaulage des Gleitelements oder die Auslegung des Gleitelements von vornherein mit mindestens doppeltem Schiebeweg.

Verkantung
Das Kräftepaar aus Rohrleitungsdehnung und Anfahrwiderstand des Gleit­elements durch Haftreibung ergeben ein Drehmoment, das zur Verkantung von Rohrschellen führen kann. Abhilfe: Kurze Abstände zwischen Rohrachse und Gleitelement, um die Hebelarme klein zu halten oder den Durchmesser des Anschlussgewindes erhöhen bzw. Doppelanschlüsse verwenden. Im Zweifelsfall sind Rollenlager zu wählen.

Seitliche Verschiebung im Bogenbereich
Vor und hinter Rohrbögen können auch Bewegungen quer zur Rohrachse entstehen; Standard-Gleitelemente verkanten sich dann. Abhilfe: Vor und hinter dem Rohrbogen axial-radiale Gleitelemente verwenden.