Aufgrund der wechselnden Betriebstemperaturen verschieben sich Fernwärmeleitungen im Boden hin und her. Für die Bewertung der Lebensdauer einer Fernwärmeleitung müssen die zu einer bestimmten Betriebstemperaturganglinie gehörigen Ermüdungslasten für die einzelnen Komponenten einer Leitung (Stahlrohr, PUR-Dämmung, PE-HD Mantel) an jeder maßgeblichen Stelle ermittelt werden. Dies bedeutet, dass ein Berechnungsmodell vorliegen muss, mit dem die temperatur- und vorbelastungsabhängigen Verschiebungen und Beanspruchungen berechnet werden können. Ein zweckmäßiges Modell wäre der gebettete Balken (Abbildung 1). Die Axial- und Lateralfedern berücksichtigen in diesem Modell die Reaktionskräfte des Bodens auf die temperaturinduzierte Verschiebung des Leitungsstrangs.

Die Schwierigkeit in der Modellbildung liegt in der Definition der Eigenschaften der Axial- und Lateralfedern. Für die Reibungskräfte gilt, dass diese sowohl betriebstemperaturabhängig als auch zyklenabhängig, d.h. veränderlich mit der Zahl der Lastzyklen, sind. Auch für die Bettungswiderstände besteht eine Abhängigkeit von der Lastzyklenzahl.

Bisher wurden die Reaktionen des Bodens in axialer und lateraler Richtung getrennt voneinander untersucht. Im Gegensatz dazu beeinflussen sich Bettungsdrücke und Reibungskräfte in den Bereichen, in denen sie gleichzeitig auftreten gegenseitig. Über die Bodenreaktionskräfte bei kombinierter Belastung liegen keine Untersuchungen vor. Für eine zutreffende Beschreibung des Tragverhaltens von erdverlegten Fernwärmeleitungen unter zyklischer Last sind hierzu Grundsatzuntersuchungen notwendig. Nur so kann der Einfluss erhöhter Zyklenzahlen auf die Gebrauchsdauer von Fernwärmeleitungssystemen richtig bewertet werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts soll das Berechnungsmodell anhand der vorliegenden Erkenntnisse zur Größe von Reibungs- und Bettungskräften entwickelt und numerisch realisiert werden. Dafür gilt es, die Federcharakteristiken abhängig von den Leitungsparametern (Nennweite, Bodenart, Überdeckungshöhe, Grabenbreite etc.) verschiebungs-, temperatur- und zyklenabhängig zu definieren. Mit dem Berechnungsmodell sollen schließlich Parameterstudien zum Verhalten und zur Beanspruchung von Fernwärmeleitungen unter verschiedenen Betriebsszenarien durchgeführt werden.