Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul S31 führt den allgemeinen Standsicherheitsnachweis für stehende Behälter auf Standzargen nach AD 2000-Merkblatt S3/1. Kolonnen, Reaktoren und Lagerbehälter werden häufig über eine zylindrische Zarge auf dem Fundament abgesetzt; die Zarge muss dabei die Gewichtskräfte von Behälter und Füllung, die resultierenden Momente aus Wind, Erdbeben oder angeschlossenen Rohrleitungen und die Normalkräfte sicher in den Fußring und die Verankerung einleiten.
Das Modul deckt die praxisüblichen Anschlussvarianten ab: Die Zarge kann am Zylinder angeschlossen sein – übergeschoben oder über einen Tragring – oder im Krempenbereich von Klöpper- und Korbbogenböden ansetzen. Die Zarge selbst darf einen oder zwei gegenüberliegende Ausschnitte (z. B. für Rohrleitungsdurchführungen oder Mannlöcher) enthalten und über einen einfachen Fußring oder einen Doppelring mit Ankerschrauben im Fundament verankert sein.
Nachgewiesen werden die maßgebenden Schnitte für die Lastfälle Betrieb, Prüfung, Montage und Sonderfall – jeweils mit eigenen Sicherheitsbeiwerten. Eingaben sind neben Berechnungsdruck und -temperatur die resultierenden Momente und Normalkräfte in den Schnittebenen, die Gewichtskräfte von Füllung und Behälterbauteilen sowie Geometrie und Werkstoffe von Behälterwand und Zarge einschließlich Exzentrizität zwischen Behälter- und Zargenmittelfläche.
Regelwerk und Berechnungsbasis: AD 2000 S3/1: 2018-05
So läuft die Berechnung ab
- Lastfall und Schnittgrößen festlegen: Für den gewählten Lastfall (Betrieb, Prüfung, Montage oder Sonderfall) werden Berechnungsdruck, Berechnungstemperatur sowie das resultierende Moment und die resultierende Normalkraft im Schnitt 1-1 (Zargenanschluss) eingegeben; hinzu kommen die Gewichtskräfte der Füllung und der Behälterbauteile, auch unterhalb der Schnittebene 2-2.
- Geometrie von Behälter und Zarge erfassen: Mittlerer Behälterdurchmesser und Behälterwanddicke ohne Zuschläge, mittlerer Zargendurchmesser und Zargenwanddicke sowie die Exzentrizität zwischen Behälter- und Zargenwand beschreiben den Kraftfluss am Anschluss. Die Anschlussart (am Zylinder, über Tragring oder an der Krempe gewölbter Böden) bestimmt das Nachweismodell.
- Werkstoffkennwerte je Bauteil ansetzen: Für Behälterwand, Zarge und weitere Bauteile werden getrennt Werkstoff, Festigkeitskennwert und die Sicherheitsbeiwerte für Betrieb, Prüfung und den jeweiligen Lastfall sowie die Zuschläge für Wanddickenunterschreitung und Korrosion festgelegt.
- Spannungen in den maßgebenden Schnitten nachweisen: Aus Normalkraft, Moment und Druck werden die Längsspannungen in Behälterwand und Zarge ermittelt und mit den zulässigen Werten verglichen. Auf der Druckseite ist zusätzlich die Stabilität (Beulen) der Zarge zu prüfen; die Exzentrizität des Anschlusses erzeugt örtliche Biegespannungen, die überlagert werden.
- Ausschnitte, Fußring und Verankerung bemessen: Ausschnitte in der Zarge werden über die verbleibenden tragenden Querschnitte berücksichtigt. Abschließend werden Fußring (einfach oder Doppelring), Fundamentpressung und die erforderlichen Ankerschrauben für den ungünstigsten Lastfall – meist den leeren Behälter unter Windmoment – nachgewiesen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Lastfall Betrieb=1; Prüfung=2; Montage=3; Sonderfall=4 | Lastfall | – |
| Bemerkung | Bemerkung | – |
| Berechnungsdruck | Pue | bar |
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Resultierendes Moment im Schnitt 1-1 | M1 | N·mm |
| Resultierende Normalkraft im Schnitt 1-1 | F1 | N |
| Gewichtskraft der Füllung | FF | N |
| Gewichtskraft der Behälterbauteile | FG | N |
| Gewichtskraft der Behälterbauteile unterhalb der Schnittebene 2-2 | ΔFG | N |
| Hydrostatischer Druck im Anschlussbereich | PH | bar |
| Resultierendes Moment | M4 | N·mm |
| Zusätzliche Normalkraft | Fadd | N |
| Maximales Moment im Schnitt 5-5 | M5 | N·mm |
| Resultierende Normalkraft im Schnitt 5-5 | F5 | N |
| Behälterwanddicke | seB | mm |
| Äußerer Behälterdurchmesser | DaB | mm |
| Zargenwanddicke | seZ | mm |
| Äußerer Zargendurchmesser | DaZ | mm |
| Höhe des Tragrings | h | mm |
| Innerer Krempenradius | r | mm |
| Durchmesser des Ausschnittes | d | mm |
| Lochkreisdurchmesser | Dt | mm |
| Anzahl der Ankerschrauben | n | – |
| vorhandener Kerndurchmesser der Ankerschrauben | dk | mm |
Häufige Fragen
Welcher Lastfall wird für die Verankerung meist maßgebend?
Für die Ankerschrauben ist in der Regel der leere, montierte Behälter unter maximalem Moment (Wind, Erdbeben) kritisch, weil dann die stabilisierende Gewichtskraft am kleinsten ist und auf der Zugseite die größte abhebende Kraft entsteht. Für die Druckspannungen und den Beulnachweis der Zarge ist dagegen oft der gefüllte Behälter (Betrieb oder Wasserfüllung bei der Druckprüfung) maßgebend. Deshalb müssen alle Lastfälle getrennt gerechnet werden.
Warum ist der Zargenanschluss an der Krempe gewölbter Böden gesondert geregelt?
Setzt die Zarge im Krempenbereich eines Klöpper- oder Korbbogenbodens an, treffen die Zargenkräfte auf einen Bereich, der bereits durch hohe Biegespannungen aus dem Innendruck beansprucht ist. Zudem verläuft die Bodenwand dort gekrümmt, sodass die eingeleiteten Längskräfte Umlenkkräfte erzeugen. Das Merkblatt stellt dafür eigene Nachweise bereit, die die Überlagerung dieser Effekte erfassen.
Wie wirken sich Ausschnitte in der Standzarge aus?
Ausschnitte reduzieren den tragenden Querschnitt und das Widerstandsmoment der Zarge und erzeugen Spannungskonzentrationen an den Ausschnitträndern. S3/1 erlaubt einen oder zwei gegenüberliegende Ausschnitte und regelt deren Berücksichtigung im Spannungs- und Stabilitätsnachweis; große Ausschnitte erfordern gegebenenfalls Randverstärkungen. Die Lage der Ausschnitte relativ zur Momentenrichtung sollte im ungünstigsten Sinn angesetzt werden.
Was ist mit der Exzentrizität zwischen Behälterwand und Zarge gemeint?
Bei übergeschobener Zarge oder unterschiedlichen Wanddicken fluchten die Mittelflächen von Behälterwand und Zarge nicht. Die Längskraft springt am Anschluss um dieses Versatzmaß und erzeugt ein örtliches Biegemoment proportional zu Kraft mal Exzentrizität. Dieses Zusatzmoment wird im Anschlussnachweis überlagert und kann bei dünnwandigen Behältern bemessungsbestimmend sein.