IBOS, 17. Informationsveranstaltung, 24.09.2014
Kunststoffrohrsysteme:
Kriterien für die Auswahl des Rohrsystems
Dipl.-Ing. Rudolf Töws
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Gliederung
- Gesamtübersicht Rohrwerkstoffe
- Statik eines erdverlegten Rohres
- Kriterien für die Werkstoffwahl
- Fazit
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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
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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.
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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
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Eigenschaften von Rohrsystemen
Chemische
Resistenz
ÖkologieHD-Spül-
festigkeit
Ring-
steifigkeit
Dichtheit
Nutzungs-
dauer
Schlag-
zähigkeit
Hydraulik/
Abrieb
Kosten
Einbau/
Material
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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
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Abriebverhalten nach dem
„Darmstädter Verfahren“
Abriebfestigkeit
Abrieb Abrieb
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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
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Kriterium HD-Spülung
DIN 19523, August 2008
HD-
Spülung
HD-
Spülung
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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
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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
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Dichtheit
DichtheitsprüfungDIN EN 1277 und/oder DIN 4060
Dichtung Dichtung
LangzeitdichtverhaltenDIN EN 14741
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Quelle: Dr. Pecher
Kriterium Materialkosten
Kosten
Material
Kosten
Material
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Einbaukosten / -freundlichkeit
Einbaukosten
- Rohrgewicht
- Rohrlänge
- Handling
- Verbindungsart
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Iy = 1240 mm^4/mm
A = 7,1 mm²/mmVollwand Rippen Wickelprofil
kerngeschäumt Hohlkammer Hohlkammer
Kosten
Einbau
Kosten
Einbau
Einbaukosten / -freundlichkeit
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Chemische Beständigkeit
Chem.
Resistenz
Chem.
Resistenz
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„Vielfalt“ der Rohrklassen
SN SDR
PN S FN
Kl. A/B
Ringsteifigkeit
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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
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Einfluss der Ringsteifigkeit auf die Rohrverformung
Ringsteifigkeit / Klassifizierung
Ring-
steifigkeit
Ring-
steifigkeit
Quelle: TEPPFA
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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)
Ringsteifigkeit / Klassifizierung
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Ringsteifigkeit / Klassifizierung
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
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Langzeit-Verformung von Kunststoffrohren
Kriechneigung
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HS „SN12“
CONNEX-Rohr
Kriechneigung
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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
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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)
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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
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Längsbiegesteifigkeit von Rohren
12
3
3
sI
D
IES
R
m
R
Ringsteifigkeit
)(64
44
iaL
L
DDI
EIB
Längsbiegesteifigkeit
Längsbiegesteifigkeit
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Rohreinbettung mit fließfähigen Verfüllmaterialien
Rohre gegen Auftrieb sichern, dabei ist auf eine hohe Längsbiegesteifigkeit der
Rohre achten!
Längsbiegesteifigkeit
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- 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?
Längsbiegesteifigkeit
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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
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Längsbiegesteifigkeiten im Vergleich
Längsbiegesteifigkeit
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
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Jede Kette ist nur so stark wie das schwächste Glied
Systemdurchgängigkeit
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Bestimmung der Ringsteifigkeit
Systemdurchgängigkeit
Rohr (ISO 9969) Formteil (ISO 13967)
Lastplatte
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System-Durchgängigkeit
HS-Rohr KG-Abzweig HS-Rohr HS-Abzweig HS-Rohr
KG-Überschiebmuffe
Systemdurchgängigkeit
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Systemdurchgängigkeit, Materialmix
Alles da! Ideale Baustelle???
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Systemdurchgängigkeit, Materialmix
PVC-U PP PVC-U
Macht das Sinn?
Darf man das?
Was hat es für Konsequenzen?
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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)
Systemdurchgängigkeit, Materialmix
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Systemdurchgängigkeit, Materialmix
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!
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System-
konsequenz
System-
konsequenz
Systemdurchgängigkeit, Materialmix
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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
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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
IBOS, 17. Informationsveranstaltung, 24.09.2014
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!