Grabenlose Verlegung von Fernwärmeleitungen

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Achmus
Bearbeiter: Dipl.-Ing. Daniel Wilmsmeier
Förderung durch: BMWI

Fernwärmeleitungen werden aufgrund von thermischen Einwirkungen planmäßig axial belastet. Bei unterirdisch verlegten Leitungen spielt deshalb die Größe der Reibungskraft zwischen Boden und Rohr bei der Bemessung einer Leitung eine entscheidende Rolle. Zur Zeit wird ein Großteil der installierten Leitungen konventionell in der offenen Bauweise hergestellt. Eine Variante der Installation von Fernwärmeleitungen ist die grabenlose Verlegung. Diese bringt sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile mit sich.

Im Unterschied zur offenen Bauweise ist die Fernwärmeleitung nicht komplett in einem Sandbett gelagert, sondern wird in eine zuvor erstellte Pilotbohrung, welche durch eine eingespülte Bentonitsuspension gestützt wird, eingezogen. In der Kontaktzone zum Fernwärmerohr stellt sich hier ein Grenzbereich mit bentonitgesättigten Erdstoffen ein. Über die sich hierbei einstellenden Reibungskräfte im Betriebszustand ist bis dato wenig bekannt. In experimentellen Untersuchungen am Institut für Geotechnik der Leibniz Universität Hannover soll dieser Vorgang genauer beleuchtet werden.

Die für die Bemessung der Fernwärmeleitung notwendige Berechnung der Reibungskraft an der Rohrleitung kann nach der FW 401 Teil 10 berechnet werden.

In diesem zur Zeit gültigen Berechnungsansatz zur Berechnung der Reibungskräfte an Fernwärmeleitungen gehen als Parameter neben den rohrspezifischen und geometrischen Parametern die Wichte des umgebenden Bodens, der Erddruckbeiwert sowie der Reibungsbeiwert zwischen Boden und Fernwärmeleitung ein.

Als gute Näherung kann der Reibungsbeiwert zwischen einer Fernwärmeleitung und dem umgebenden Boden bei Grabenverlegung aus dem inneren Reibungswinkel des Bodens abgeschätzt werden.

μ = tan (2/3 ⋅ φ‘)

Dieser Ansatz ist für verschiedene Bodenarten ausreichend genau belegt. Die Aussagefähigkeit des Berechnungsansatzes für den Reibungsbeiwert ist für das grabenlose Verfahren hingegen noch nicht hinreichend genau untersucht worden. Um genauere Aussagen diesbezüglich machen zu können, werden am Institut für Geotechnik verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt.

In experimentellen Reibungsversuchen kann der Reibungsbeiwert zwischen Fernwärmeleitungen und Erdstoffen untersucht werden. Hierzu wird ein Stück des Außenmaterials einer Fernwärmeleitung, welches in der Regel aus Polyethylen besteht, in einem Rahmenschergerät im unteren Teil fixiert.

Anschließend wird der entsprechende Erdstoff in den oberen Teil des Versuchsgerätes eingebaut. Nach einer entsprechenden Konsolidierungszeit werden die beiden Rahmen gegeneinander verschoben. Die sich beim Verschieben der beiden Rahmenhälften einstellenden Kräfte werden über eine elektronische Kraftmessdose gemessen.

Um Aussagen über mit bentonitgesättigte Erdstoffe zu erhalten, werden zuerst Referenzversuche an den unvermischten Erdstoffen und anschließend mit den bentonitgesättigten Erdstoffen durchgeführt.

Die Durchführung von ersten Reibungsversuchen zeigt  einen deutlichen Einfluss von Bentonit auf die Reibungskräfte zwischen den untersuchten Erdstoffen und PE-Material. Der Einsatz von bentonitgesättigten Erdstoffen ergibt erhebliche Reduzierungen des Reibungsbeiwertes. Die zeitliche Entwicklung der Reibungseigenschaft wird in weiteren Versuchen mit längeren Standzeiten untersucht.