Technisch bewerten – aber richtig

Der Hersteller liefert in aller Regel die grundlegenden technischen Daten für die Bewertung von Erzeugnissen. Diese veröffentlicht er als Katalogangaben. Meist sind diese Werte auch die Grundlage für eine spätere Produktauswahl, sei es durch den Planer, sei es durch den Endkunden. Ein Blick auf die zu Grunde liegenden Bewertungs­verfahren ist notwendig, um sicherzustellen, dass die genannten Katalogangaben unbedenklich für ein aktuelles Vorhaben genutzt werden können. Immer noch aber legen zahlreiche Hersteller ihre oft abweichenden Bewertungsverfahren nicht offen, ein direkter Vergleich ist somit nicht im­mer möglich.

Zunächst werfen wir einmal einen Blick auf die unterschiedlichen Tragsys­teme. Sie reichen von einfachen Konsolen oder U-Joch-Kon­struk­tio­nen bis zu dreidimensionalen Unterkonstruktionen für Rohr­lei­tungs­führungen oder andere Objektmontagen. Sie können direkt am Bau­körper (Beton, Ziegel) befestigt sein oder an anderen Tragwerken, etwa aus Stahl. Tragsysteme können vorgefertigt sein, wie bei einer Vorwandinstallation, oder aus einem individuellen Konstruktionsbau­kasten zusammengestellt werden, wie bei einem Montageschienen­system. Es handelt sich um ein breites Themenfeld. Als Basis geht es zunächst um die Grundlagen zur Bewertung von Montageschienen.

Die wohl am weitesten verbreiteten Varianten sind – teilweise modifi­zierte – C-Profile in galvanisch- wie auch feuerverzinkter Ausführung oder aus rostfreien Stählen unterschiedlicher Qualität. Zum Stan­dard gehört meist eine herstellerspezifische Rückenlochung. Dane­ben gibt es Doppelschienen, durch „Rücken an Rücken“-Montage aus zwei Einzelschienen entstandene Elemente mit zwei Montage­schlitzen.

Eine Reihe von Grundlagen gilt es bei der Bewertung zu beachten. Das fängt mit der Festlegung der Hauptachsen an. In der modernen Literatur hat sich durchgesetzt, dass die x-Achse längs der Schie­nenlängsachse verläuft, die z-Achse in Richtung der Schienenöff­nung (Bild 4).

Ein geschlossenes Regelwerk zur Bewertung von Montageschienen gibt es nicht, ohne Querverweise auf andere Regeln kommt die Bewertung der technischen Leistungsfä­higkeit für Montageschienen in der Rohrbefestigung nicht aus. Da ist an erster Stelle die DIN EN 1991-1, der so genannte Eurocode 1, Teil 1 „Grundlagen der Tragwerksplanung und Einwirkung auf Trag­werke – Grundlagen des Entwurfs, der Berechnung und Bemes­sung“ zu nennen. Der Eurocode 1 bietet eine Orientierungshilfe für den anzuwendenden Sicherheitsbeiwert, daraus lässt sich ein Stan­dardwert für die Ermittlung technischer Daten von Montageschienen bestimmen.

Die DIN EN 1993, der so genannte Eurocode 3 „Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten“ ist ein weiteres Regelwerk. Die klas­sische Montageschiene ist ein kalt geformtes und dünnwandiges Bauteil, für die Beschreibung ihres statischen Verhaltens bietet in­sbesondere der Teil 1 bis 3 „Allgemeine Bemessungsregeln – Ergän­zende Regeln für kalt geformte dünnwandige Bauteile und Bleche“ wichtige Grundlagen. Hier werden Verfahren zur Ermittlung von Materialkennwerten beschrieben und Themen wie der Ausschluss des örtlichen Beulens erörtert. Für Schienen aus nicht rostenden Stählen ist Teil 1 bis 4 von Bedeutung.

Ausführliche Vorgaben für die Ermittlung technischer Daten von Montageschienen für die Rohrbefestigung enthält zudem die Güte­si­cherung RAL-GZ 655 „Rohrbefestigung“ in ihrem Teil C. Sie bedient sich der genannten Normen, geht aber in ihren Regelungen weit darüber hinaus, etwa beim Einfluss zulässiger Toleranzen auf tech­nische Daten, zulässige Durchbiegungen und vor allem bei den Be­schreibungen von Verfahren zur Überprüfung unterschiedlicher An­gaben im Labor.

Die Vergleichbarkeit ist weiterhin ein Problem, wenn auch etliche Hersteller inzwischen ihre technischen Daten auf der Grundlage der genannten Normen ermitteln. Aber nicht immer nutzen sie die glei­chen Berechnungsparameter. Und nach wie vor gibt es Hersteller, die ihre internen Verfahren nicht veröffentlichen.

Für die Planung und Bemessung von Schienenkonstruktionen sind eine Reihe grundlegender Daten von Bedeutung. Dazu gehören die Angaben zum Grundwerkstoff (E-Modul, Streckgrenze) ebenso wie zum Korrosionsverhalten (Werkstoff, Oberflächenbehandlung) und zu geometrisch bedingten Daten wie das Flächenträgheitsmoment I_y und das Widerstandsmoment W_y. Unverzichtbar ist auch die Festlegung einer maximal zulässigen Schienendurchbiegung und eines globalen Sicherheitsbeiwerts. Für bestimmte Konstruktionen können Angaben zur Torsionssteifigkeit und zur Belastbarkeit von Verbindungselementen unerlässlich sein.

Grundlage einer Bemessung sollte stets die maximal zulässige Durchbiegung sowie die maximal im Bauteil auftretende Spannung sein. Für die Durchbiegung wird oft ein Wert L/200 angenommen, bei zusammengesetzten Montageschienen muss zudem ein Versa­gen der Schienenverbindung berücksichtigt werden.

Der globale Sicherheitsbeiwert ist sicher der elementarste Parameter für die technische Bewertung. Zwar ist er prinzipiell frei wählbar, sinn­voll ist aber eine Herleitung aus allgemein akzeptierten technischen Standards. Abhängig ist er zumindest von den zu erwartenden Last­ein­wirkun­gen und der Gebrauchstauglichkeit. Aus den benannten Vorgaben des Eurocodes 1 ergibt sich bei einer Gewichtung von 2/3 für das Eigengewicht und 1/3 aus der Verkehrslast ein allgemeiner globaler Sicherheitsbeiwert von

g=1,54.

Es gilt:

für Einwirkung: (gemäß DIN EN 1991-1)

Eigengewicht g_G = 1,35

Verkehrlast g_Q = 1,50

für Widerstand: (gemäß DIN EN 1991-1)

Tragwiderstand g_Z = 1,10

Also:

g = ( g_G + g_Q) · g_Z

Somit:

g = ( g_G + g_Q) · g_Z = ( · 1,35 + · 1,50) · 1,10 = 1,54

Ohne Kenntnis des verwendeten Sicherheitsbeiwertes ist eine sichere Produktauslegung gar nicht verlässlich möglich, weil die zu bewertende Gesamtsicherheit nicht bekannt ist.

Die Ermittlung der Flächenwerte ist mit einem Computer sehr einfach. Kleinster Querschnitt, etwa bei Schwächungen des Grundpro­fils durch Lochung und die Berechnung von Flächenträgheitsmo­menten sind schnell gerechnet. Sollten jedoch die herstellerseitig garantierten Toleranzen zu groß sein, so muss die Berechung unbedingt mit den ungünstigsten Grenzabmessungen erfolgen, was zu einer erheblichen Reduzierung der Flächenwerte führen kann. Vom Hersteller zugelassene Wandstärketoleranzen sollten stets mit der zu Grunde liegenden Werkstoffnorm abgeglichen werden. Die RAL-GZ 655 hat diese Regelungen bereits als festen Bestandteil integ­riert.

Sendzimirverzinkte Montageschienen sind am Markt weit verbreitet, häufig tauchen auch die Werkstoffe S250 GD-Z275-N-A und SZ235 JR auf, bei den rostfreien Varianten werden zumeist V2A und V4A-Quallitäten geliefert. Ausschlaggebend für die Schienenkonstruktion sind die Materialkennwerte des Fertigproduktes. Für das E-Modul der ver­wendeten Stähle wird üblicherweise ein Wert von E = 210 000 N/mm² angenommen, bei rostfreien Stählen E = 200 000 N/mm².

Der wichtigste Materialkennwert von Montageschienen aber ist die Streckgrenze. Montageschienen werden kalt geformt, deshalb kann bei der Fertigung eine Kaltverfestigung auftreten. Nennwert und Rechenwert gilt es zu berücksichtigen. Aus dem Eurocode 3, Teil 3, Tabelle 3.1 lassen sich die Nennwerte für die Streckgrenze f_yb und Zugfestigkeit f_u ermitteln. f_yb ergibt sich aus der Mindeststreck­grenze des Ausgangswerkstoffes, die in der jeweiligen Werkstoff­norm definiert wird.

Der Rechenwert der Streckgrenze f_ya berücksichtigt die bei der Fer­tigung auftretende Kaltverfestigung. Im Verfahren nach dem Euro­code 3 werden Ausgangswerkstoff, Fertigungsverfahren und geometrische Gestaltung der Montageschiene mit eingerechnet. Die RAL-GZ 655 arbeitet deckungsgleich mit dieser Vorschrift, fordert aber zusätzlich eine versuchstechnische Überprüfung dieser Werte. Für feuerver­zinkte Schienen sollte die erhöhte Streckgrenze aus Kaltverfesti­gung nicht angesetzt werden.

Örtliches Beulen des Querschnitts kann die Tragfähigkeit dünnwan­diger Bauteile, wie etwa einer Montageschiene, beeinträchtigen. Das kann sich auf das allgemeine Stabilitätsverhalten auswirken. Ein Nachweis für den Erhalt der Steifigkeit der Schiene sollte erbracht werden, im Eurocode 3 ist im Teil 3, Abschnitt 4 ein geeignetes Verfahren beschrieben. Die Norm enthält sogar einen vereinfachten Nachweis mittels einer Tabelle, mit der sich nahezu alle Montageschienen am Markt überprüfen lassen. Die RAL-GZ 655 beinhaltet immer einen Nachweis gegen örtliches Beulen.

Doppelschienen werden häufig verwandt. Sie haben höhere Wider­standsmomente und ermöglichen neue Lösungen. Als homogene monolithische Schiene können sie aber nur angenommen werden, wenn die Ver­bindung der beiden Einzelelemente nicht überlastet wird. Sonst könnte die Gesamtkonstruktion wie ein Kartenhaus einknicken. Es gibt darüber hinaus aber andere Varianten, etwa offen verschweißte Bleche, denkbar sind extrudierte Modelle, die aber wegen der ein­gesetzten Werkstoffe für die Rohrbefestigung unmaßgeblich sind. Der Standardfall ist also die zusammengesetzte Montagedoppel­schiene. Die Materialkennwerte können wie oben beschrieben ermittelt wer­den, bei unterschiedlichen Materialeigenschaften ist die ungünsti­gere Berechnung für die gesamte Montagedoppelschiene anzusetzen. Zentral ist die Funktionsfähigkeit der Verbindung beider Schienenteile. Zu­nächst ist die Mindesttragfähigkeit der Einzelverbindung zu bestim­men, die maximal zulässige Schubkraft F_cx,zul. Bei einer Schwei­ßung ist die Verbindung linienförmig, bei einer Klebung flächenartig anzunehmen, der Wert wird auf eine aussagefähige Bezugslänge bezogen. Die Werte können durch einen Scherversuch bestimmt werden (Bild 5).

Unverzichtbar ist die Ermittlung der maximal zulässigen Querkraft, die auf der Basis der Mindesttragfähigkeit der Verbindung errechnet werden kann:

F_x,zul=

S_y ist das statische Moment (Flächenmoment ersten Grades) an der Stelle des Einzelverbindungsmittels, e ist der Abstand der Einzel­verbindungsmittel und entspricht der Wiederholrate der Verbindung. Wird die Querkraft nicht überschritten, lässt sich mit dem Ersatzmo­dell einer monolithischen Montageschiene arbeiten.

Berechnung eines Beispiels

Nachdem die erforderlichen Festlegungen getroffen wurden, kann mit Hilfe der zuvor erläuterten Katalogangaben ein Beispiel gerechnet werden. Hierzu betrachten wir den einfachen Standard-Lastfall „Träger auf zwei Stützen mit mittiger Einzellast“ (Bild 6):

Die Daten der Beispiel-Montageschiene lauten:

Widerstandsmoment W_Y = 18 cm³ = 18 000 mm³

Flächenträgheitsmoment I_y = 115 cm⁴ = 1 150 000 mm⁴

Streckgrenze f_y = 240 N/mm²

Die Stützweite beträgt L = 1000 mm.

Es kommt der zuvor definierte globale Sicherheitsbeiwert g = 1,54 zur Anwendung.

Bestimmung der zulässigen Durchbiegung:

δ_zul. = = = 5 mm

Maximale Last aus der zulässigen Durchbiegung:

F_zul.δ = = = 0,24 ·

Also:

F_zul.δ = 0,24 · = 0,24 · = 57,96 kN

Maximale Last aus der Streckgrenze mit Anwendung des Sicherheitsbeiwertes:

F_zul,fy = = = 11,22 kN

Bestimmung der maximal zulässigen Last:

Die maximal zulässige Last ist das Minimum der ermittelten einzelnen Ergebnisse für maximal zulässige Durchbiegung und maximal zulässige Spannung.

F_zul = min (F_zul,δ; · F_zul,fy)

Die maximal zulässige Last beträgt somit in diesem Beispiel:

F_zul = 11,2 kN.

Weitere Fragestellungen und Antworten

Häufig finden sich in den Katalogen der Hersteller entsprechende Tabellen, aus welchen sich die maximalen Lasten für verschiedene Referenzlängen und Lastfälle einfach entnehmen lassen. Hierbei ist allerdings zu beachten, auf welchen Regelwerken die ermittelten Angaben beruhen.

Für den Planer ergeben sich vor diesem Hintergrund eine Reihe von Fragen. Muss er die Anwendung bestimmter Regeln verlangen oder darf er sich auf die Katalogangaben der Hersteller verlassen? Tech­nische Daten hängen, wie wir gesehen haben, von zahlreichen Faktoren ab, die gewählten Verfahren zur Ermittlung der Daten spielen eine große Rolle, nicht zu vergessen der gewählte Sicher­heitsbeiwert. Soll also ein Sicherheitsniveau planerisch dar- und sichergestellt werden, ist diese Datenbasis dringend notwendig. Die Hersteller sollten im Rahmen einer sinnvollen und vertrauens­fördernden Transparenz ihre der Bewertung zu Grunde liegenden Verfahren offen kommunizieren.

Eine besondere Verpflichtung erlegt die RAL-GZ 655 auf. Daten auf Grundlage dieser Richtlinie werden nicht durch den Hersteller, son­dern durch ein unabhängiges Prüfinstitut bestimmt. Sie werden auch regelmäßig fremd überwacht. Technische Angaben auf dieser Basis werden nach den immer gleichen Parametern ermittelt, sind also direkt vergleichbar. Und ihre Bewertungsverfahren sind öffentlich. Daraus entsteht hohe Sicherheit für Planung und Verarbeitung, die einfachere Produktauswahl spricht für sich.

Es bleibt zu hoffen, dass immer mehr Hersteller dies erkennen und sich zum Vorteil ihrer Kunden für eine Gütesicherung ihrer Montage­schienen nach RAL-GZ 655 entscheiden.