Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul KAP9 berechnet Böden von Großwasserraumkesseln nach Kapitel 9 der DIN EN 12953-3:2016. Das Kapitel deckt die Abschlussböden des Kessels ab: gewölbte Böden in Klöpper- oder Korbbogenform ebenso wie die für Rauchrohrkessel typischen ebenen Böden, die unverankert oder durch Rauchrohre, Ankerrohre, Eckanker und Stehbolzen verankert ausgeführt werden.
Die Tragwirkung der beiden Bauformen ist grundverschieden: Gewölbte Böden tragen den Druck überwiegend über Membranspannungen und kommen mit vergleichsweise geringen Wanddicken aus, wobei die Krempe die maßgebende Stelle ist. Ebene Böden tragen als Platte über Biegung; ihre erforderliche Dicke hängt entscheidend von der Größe der freien, nicht abgestützten Plattenfelder ab, weshalb die Anordnung der Verankerungen unmittelbar in die Berechnung eingeht.
In der Praxis braucht man das Modul bei der Auslegung und Nachrechnung von Dreizug- und Rauchrohrkesseln, um die erforderliche Bodendicke nach DIN EN 12953-3 zu berechnen, die Plattenfelder zwischen den Verankerungen zu bewerten und die Ergebnisse für die Konformitätsbewertung beziehungsweise wiederkehrende Prüfung zu dokumentieren.
So läuft die Berechnung ab
- Bodenform und Geometrie festlegen: Zunächst wird die Bauform gewählt: gewölbter Boden mit Kalotten- und Krempenradius oder ebener Boden mit seinen Abmessungen und Randanschlüssen. Beim ebenen Boden werden zusätzlich Lage und Art der Verankerungen erfasst, weil sie die maßgebenden Plattenfelder bestimmen.
- Belastung und Werkstoff eingeben: Berechnungsdruck und Berechnungstemperatur werden vorgegeben; aus dem Bodenwerkstoff folgt die zulässige Berechnungsspannung einschließlich der Sicherheitsbeiwerte der Norm. Zuschläge für Korrosion und Wanddickenunterschreitung werden berücksichtigt.
- Gewölbten Boden nachweisen: Für gewölbte Böden wird die erforderliche Wanddicke aus den Normgleichungen für Kalotte und Krempe ermittelt; der größere Wert ist maßgebend. Zusätzlich werden die geometrischen Grenzen der Bodenform kontrolliert, etwa zulässige Verhältnisse von Krempenradius und Bordhöhe zum Durchmesser.
- Ebenen Boden mit Plattenfeldern nachweisen: Beim ebenen Boden wird für jedes Plattenfeld zwischen den Verankerungen die erforderliche Dicke mit den Berechnungsbeiwerten der Norm bestimmt; der Beiwert hängt von Feldform und Einspannung ab. Das größte Feld, häufig im unverankerten Randbereich oder zwischen Flammrohr und Mantel, liefert die maßgebende Bodendicke.
- Verankerungslasten übergeben: Aus dem Bodennachweis folgen die Zugkräfte, die die Anker und Ankerrohre aufnehmen müssen; diese Lasten gehen in die Nachweise der Rohre und Rohrböden nach Kapitel 12 sowie der übrigen Ankerelemente ein.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Variable 4 | – | – |
| Variable 5 | – | – |
| Variable 6 | tG | – |
| Variable 7 | e | – |
| Variable 8 | – | – |
| Variable 9 | pc | – |
| Variable 10 | ts | – |
| Variable 11 | tz | – |
| Variable 12 | tc | – |
| Variable 13 | – | – |
| Variable 14 | – | – |
| Variable 15 | – | – |
| Variable 16 | – | – |
| Variable 17 | – | – |
| Variable 18 | – | – |
| Variable 19 | – | – |
| Variable 25 | es | – |
| Variable 26 | – | – |
| Variable 27 | do | – |
| Variable 28 | di | – |
| Variable 29 | hc | – |
| Variable 30 | ris | – |
| Variable 31 | ros | – |
| Variable 32 | rik | – |
Berechnungsoptionen
Variable 4
operation · test
Variable 5
Yes · No
Variable 6
≤ 400 · 400-800 · > 800
Variable 8
radiation · convection
Variable 13
External pressure · Internal pressure
Variable 14
Unstayed dished heads without openings · Flat unstayed removable closures
Variable 15
torispherical head · Hemispherical head · Ellipsoidal heads
Variable 16
external-Fig.c · with bolting forces-Fig.d · internal doors-Fig.a.b
Häufige Fragen
Warum sind ebene Kesselböden so viel dicker als gewölbte Böden gleicher Größe?
Ein gewölbter Boden trägt den Druck weitgehend über Membranzugspannungen in der Schale, ein ebener Boden dagegen über Plattenbiegung. Biegung nutzt den Querschnitt deutlich schlechter aus, deshalb wären unverankerte ebene Böden großer Durchmesser unwirtschaftlich dick. Im Rauchrohrkessel löst man das über Verankerung: Rauchrohre, Ankerrohre und Eckanker unterteilen den Boden in kleine Plattenfelder, sodass moderate Dicken ausreichen.
Welche Stelle ist beim gewölbten Boden maßgebend?
In der Regel die Krempe, also der Übergangsradius zwischen Kalotte und zylindrischem Bord. Dort überlagern sich Membran- und Biegespannungen, weshalb die Norm für die Krempe eine eigene, meist maßgebende Wanddickengleichung mit einem formabhängigen Beiwert vorsieht. Enge Krempenradien erhöhen diesen Beiwert und damit die erforderliche Wanddicke.
Was ist bei der Anordnung der Anker zu beachten?
Die Verankerungen müssen so verteilt sein, dass kein Plattenfeld die für die gewählte Bodendicke zulässige Größe überschreitet; kritisch sind häufig die Randzonen zwischen äußerster Rohrreihe und Mantel sowie der Bereich um das Flammrohr. Außerdem müssen die Anker die aus den Feldern resultierenden Zugkräfte mit den zulässigen Spannungen der Norm aufnehmen, und schroffe Steifigkeitssprünge sollten vermieden werden, um Zusatzbiegung im Boden zu begrenzen.
Deckt Kapitel 9 auch die Ausschnitte im Boden ab?
Nein. Kapitel 9 liefert die Grunddicke des unverschwächten Bodens. Einzelausschnitte in ebenen Kesselböden, etwa Mannlöcher oder Stutzen, werden gesondert nach Kapitel 11 der DIN EN 12953-3 nachgewiesen; die Lochfelder der Rohrböden behandelt Kapitel 12.