Kriterien für die Auswahl des...

IBOS, 17. Informationsveranstaltung, 24.09.2014

Kunststoffrohrsysteme:

Kriterien für die Auswahl des Rohrsystems

Dipl.-Ing. Rudolf Töws


Gliederung

- Gesamtübersicht Rohrwerkstoffe

- Statik eines erdverlegten Rohres

- Kriterien für die Werkstoffwahl

- Fazit


Rohrwerkstoffe

Steinzeug:

EN 295

Beton: EN 1916 Polymerbeton:

EN 14636

Guss: EN 598

GFK:

EN 14364

PE: EN 12666 PVC-U: EN 1401

PP-H: EN 1852

PP-MD: EN 14758

PVC-U, PP-H, PE:

EN 13476

Biegeweich

Biegesteif Biegesteif / biegeweich


Biegesteif oder biegeweich?

Ob sich ein Rohr biegesteif oder biegeweich verhält ist nach ATV

Arbeitsblatt A 127 abhängig von dem Verhältnis der

Rohrsteifigkeit SR zur horizontalen Bettungssteifigkeit des

Bodens SBh, der so genannten Systemsteifigkeit VRB.

Bei VRB < 1,0 (Boden „steifer“ als Rohr) wird

das Rohr als biegeweich betrachtet, z.B. die

gebräuchlichen Kunststoffe PVC-U, PP, PE

und in den meisten Fällen auch Guss.

Bei VRB > 1,0 (Rohr „steifer“ als Boden) wird

das Rohr als biegesteif betrachtet, z.B.

Steinzeug oder Beton.


qh = ~ 0,4 x 150 = 60 kN/m²

qv ~ 75 kN/m²

~ 150 kN/m² ~ 150 kN/m²~ 100 kN/m² ~ 100 kN/m²

Graben

Statisches System

biegeweich

(Kunststoffe)

biegesteif

(Stz, B)

~ 75 kN/m²

~ 140 kN/m²

Ein Betonrohr hat eine größere Steifigkeit als der Boden und "zieht" somit

die Lasten an ? dadurch eine Lastkonzentration über dem Rohr.

Ein Kunststoffrohr kann sich verformen, "entzieht" sich der Belastung und

reaktiviert gleichzeitig den Erdreaktionsdruck.

~ 75 kN/m²

~ 140 kN/m²

qh = ~ 0,40 x 75 = 30 kN/m²

qv ~ 200 kN/m²

Graben

100 kN/m²100 kN/m²


Eigenschaften von Rohrsystemen

Chemische

Resistenz

ÖkologieHD-Spül-

festigkeit

Ring-

steifigkeit

Dichtheit

Nutzungs-

dauer

Schlag-

zähigkeit

Hydraulik/

Abrieb

Kosten

Einbau/

Material


Beton, Guss, Steinzeug > 100 Jahre

PVC-U ca. 85 Jahre

PP ca. 55 Jahre

PE ca. 55 Jahre

Über welchen Zeitraum liegen Erfahrungen vor?

Nutzungsdauer

Nach den LAWA-Leitlinien beträgt die

durchschnittliche Nutzungsdauer von Kanälen

(Neubau)

50-80 (100) Jahre

Nutzungs-

dauer

Nutzungs-

dauer


Abriebverhalten nach dem

„Darmstädter Verfahren“

Abriebfestigkeit

Abrieb Abrieb


Bemessung nach DWA-A 110

Für die hydraulische Dimensionierung neu zu erstellender Abwasserkanäle wird

in der Regel das Pauschalkonzept angewendet. Die verschiedenen

Verlustbeiwerte werden in die betriebliche Rauheit kb eingerechnet.

kb abhängig von

- Wandrauhigkeit des Rohres (Werkstoffkennwert)

- Lageungenaugkeit und –änderung (z.B. Richtungs- und Gefälleänderungen)

- Rohrverbindungen (z.B. Muffenversätze)

- Zulauf- und Formstücke

- Schachtbauwerke

Hydraulik

Hydraulik Hydraulik


Kriterium HD-Spülung

DIN 19523, August 2008

HD-

Spülung

HD-

Spülung


Ökologie

Rohr-

Thermoplast

CO2-Equivalents, Total (kg)

Nutzungsdauer angenommen

100 a

Energiebedarf

(MJ)

PVC-U 0,336 9,38

PP 0,485 10,38

PE-HD 0,504 9,93

CO2-Equivalents

The CO2-equivalent measures the global warming potential (following the IPCC 100 years standard) of a

conversion process. As indicated by its name, this data is expressed in terms of kg CO2-equivalents.

Gross Energy

This gives an overview of the energy usage by electricity, oil and other energy types, in terms of MJ

Rohr-Extrusion

Ökologie Ökologie


Schlagzähigkeit / Robustheit

Kugelfallversuch

DIN EN 744: Standardverfahren

Für Verlegung bis 0°C

DIN EN 1411: Stufenverfahren

Für Verlegung bis -10°C

Schlag-

zähigkeit

Schlag-

zähigkeit


Dichtheit

DichtheitsprüfungDIN EN 1277 und/oder DIN 4060

Dichtung Dichtung

LangzeitdichtverhaltenDIN EN 14741


Quelle: Dr. Pecher

Kriterium Materialkosten

Kosten

Material

Kosten

Material


Einbaukosten / -freundlichkeit

Einbaukosten

- Rohrgewicht

- Rohrlänge

- Handling

- Verbindungsart


Iy = 1240 mm^4/mm

A = 7,1 mm²/mmVollwand Rippen Wickelprofil

kerngeschäumt Hohlkammer Hohlkammer

Kosten

Einbau

Kosten

Einbau

Einbaukosten / -freundlichkeit


Chemische Beständigkeit

Chem.

Resistenz

Chem.

Resistenz


„Vielfalt“ der Rohrklassen

SN SDR

PN S FN

Kl. A/B

Ringsteifigkeit


Biegesteif Biegeweich

Belastung bis zum Bruch

Ergebnis: FN in kN/m

z.B. Betonrohr DN300: 30 kN/m

dv = 3%

Zwischenergebnis: F in kN

Ergebnis: Ringsteifigkeit in kN/m²

z.B. S = 8 kN/m² = SN8

yL

F

di

yS

)025,00186,0(

Ringsteifigkeit


Einfluss der Ringsteifigkeit auf die Rohrverformung

Ringsteifigkeit / Klassifizierung

Ring-

steifigkeit

Ring-

steifigkeit

Quelle: TEPPFA


SN / SDR-Klassifizierung

Beispiel: PVC-U-Rohr, DN/OD 200, SN8 entspricht SDR 34

min e = 200/34 = 5,9 mm

ckeRohrw anddi

rdurchmesseRohraussen

s

DSDR

Werkstoff DIN EN E-Modul SN 2 SN 4 SN 8

[N/mm²]

PVC-U 1401-1 3000 SDR 51 SDR 41 SDR 34

PP-H 1852-1 1250 SDR 41 SDR 33 SDR 23,4

3

3 12

mm D

sE

D

IES (glattwandige Rohre)




Werkstoff DIN EN SN SDR S

PVC-U 1401-1 4 41

- 8 34

PP-H 1852-1

4 33 16

8

23,4 11,2

26 12,5

29 14

27,6 13,3

PE-HD 12666-1 4 26 12,5

8 21 10


Langzeit-Verformung von Kunststoffrohren

Kriechneigung


HS „SN12“

CONNEX-Rohr

Kriechneigung


Ergebnisse

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000

Verf

orm

un

g i

n [

mm

]

Versuchsdauer lin. in [Std.]

Verformung von PP u. PVC-U Rohren DN/OD 315unter konstanter Last in Abhängigkeit der Zeit

Rohr nach DIN EN 14758 (PP-MD)

Rohr nach DIN EN 1852 (PP-H)

Rohre i.A. a DIN EN 1401 (PVC-U)

Kriechneigung


Ergebnisse

Kriechneigung

Rohr nach DIN EN 1852 (PP-H)

Rohr nach DIN EN 14758 (PP-MD)

Rohre i.A. an DIN EN 1401 (PVC-U)


Langzeit-Verformung von Kunststoffrohren

qh = ~ 0,4 x 150 = 60 kN/m²

qv ~ 75 kN/m²

~ 150 kN/m² ~ 150 kN/m²~ 100 kN/m² ~ 100 kN/m²

Graben

• Mit abnehmender Einbauqualität wächst die Bedeutung der

Ringsteifigkeit

• Bei „identischem“ Einbau erfährt das Rohr mit der größeren

Kriechneigung langzeitig immer eine größere Verformung

Kriechneigung

Kriech-

neigung

Kriech-

neigung


Längsbiegesteifigkeit von Rohren

12

3

3

sI

D

IES

R

m

R

Ringsteifigkeit

)(64

44

iaL

L

DDI

EIB

Längsbiegesteifigkeit



Rohreinbettung mit fließfähigen Verfüllmaterialien

Rohre gegen Auftrieb sichern, dabei ist auf eine hohe Längsbiegesteifigkeit der

Rohre achten!



- Einsatz von fließfähigen Verfüllmaterialien

- in Längsrichtung veränderliche Bodenbedingungen

- in Längsrichtung veränderliche Lastbedingungen

(z.B. auch infolge Radlasten bei geringer Überschüttung)

- Bergsenkungen bei längskraftschlüssigen Rohrleitungen

- Setzungen nach dem Verlegen infolge Dammschüttung

- fortschreitendes Ziehen des Spundverbaus

- Frei hängende Rohrleitungen

Wofür ist die Längsbiegesteifigkeit noch wichtig?



Versuche, Längsbiegesteifigkeit

w = 1,2 cmw = 1,3 cm

Getestet:

HS-Rohr DN/OD 250 – 500

CONNEX-Rohr DN/OD 315 – 500

10 Min / 24 h

F

l


Längsbiegesteifigkeiten im Vergleich


Werkstoff Ringsteifigkeit Wanddicke E-Modul Längsbiegesteifigkeit Durchbiegung

SN (Kurzzeit) s E (Kurz-/

Langzeit)

E x I (Langzeit) w (Langzeit)

kN/m² mm N/mm² kNm² mm

PVC-U 12 (HS) 10,0 3.000 / 1.500 198 10

PVC-U 8 9,2 3.000 / 1.500 123 16

PP-ML 12 12,2 2400/600 81 24

PP-H 10 12,7 1.700 / 400 59 33

PP-MD 8 11,4 1500 / 375 49 40

PE-HD 8 15,0 800 / 160 25 78

PP-H

Profil

8 3,7

+Rippen

1250 / 312 13 149

- Erdüberdeckung h = 3 m

- Annahme: Rohrauflager auf einer Länge von 1,8 m stark geschwächt

- Rohrflächenbelastung ca. pE = 0,75 x 3 x 20 kN/m³ = 45 kN/m²

- Rohrlinienbelastung DN/OD 315 ca. pE*= 0,315 x 45 = 14,18 kN/m

- Vollwandrohre nach DIN EN 1401 / 1852 / 12666

- statische Annahme: Balken auf zwei Stützen ohne Einspannung

Rohreigengewicht (0,1-0,15 kN/m) und Wasserfüllung (0,5 kN/m) sind nicht berücksichtigt

Längsbiege-

steifigkeit

Längsbiege-

steifigkeit


Jede Kette ist nur so stark wie das schwächste Glied

Systemdurchgängigkeit


Bestimmung der Ringsteifigkeit


Rohr (ISO 9969) Formteil (ISO 13967)

Lastplatte


System-Durchgängigkeit

HS-Rohr KG-Abzweig HS-Rohr HS-Abzweig HS-Rohr

KG-Überschiebmuffe



Systemdurchgängigkeit, Materialmix

Alles da! Ideale Baustelle???



PVC-U PP PVC-U

Macht das Sinn?

Darf man das?

Was hat es für Konsequenzen?


Verformung Rohr in [%] Verformung Abzweig in [%]

HS- Abzweig DN/OD 250/160/45° 3,43 (PVC-U) 3,9 (PVC-U)

PP- Abzweig DN/OD 250/160/45° 3,86 (PVC-U) 8,3 (PP)




Argument: die Bauteile (z.B. PVC-Rohr + PP-Formteil) sind kompatibel, die Ringsteifigkeit

ist auch in etwa gleich, wieso also nicht kombinieren?

Einwand: „gleich“ ist die Ringsteifigkeit nach 3 Minuten, danach verhalten sich die

Werkstoffe aber komplett unterschiedlich. Zusätzlich: Abweichungen bei der Bestimmung

der Ringsteifigkeit und Unterschiede bei Temperaturänderungen!


System-

konsequenz

System-

konsequenz



Eigenschaften von Rohrsystemen

Chemische

Resistenz

ÖkologieHD-Spül-

festigkeit

Ring-

steifigkeit

Dichtheit

System-

konsequenz

Nutzungs-

dauer

Schlag-

zähigkeit

Kriech-

neigung

Hydraulik/

Abrieb

Kosten

Einbau/

Material

Längsbiege-

steifigkeit


Fazit

• Es gibt einige gute Rohrsysteme aus Kunststoff, die sich in der Praxis seit

Jahrzehnten bewährt haben

• Die Rohrqualität hat neben der Verlegequalität großen Einfluss auf die

Nutzungsdauer, deshalb ist ein geringer Mehrpreis für mehr Qualität in der

Regel gut angelegt.

• Es gibt kein „optimales“ Rohrsystem für alle Einsatzzwecke. Die Auswahl für

die jeweilige Anforderung sollte nach den aufgeführten Kriterien erfolgen. ein

Vorschlag für eine Entscheidungsmatrix ist aufgezeigt worden.

• Die Einordnung in SN-Klassen ist die gängige Klassifizierung von

Kunststoffrohren, jedoch nur eins von vielen Kriterien. Weitere wichtige sind

- Ausreichende Längsbiegesteifigkeit,

- geringe Kriechneigung und

- komplettes Programm (wandverstärkte Formteile)

- Konsequente Systemdurchgängigkeit

• Bei glattwandigen Kunststoffrohren sind die Klassifizierungen SN und SDR

üblich, bei profilierten Rohren ist die Klassifizierungen nach SN üblich,

geringere SDR-Klasse bedeutet größere Mindestwanddicke


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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