Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul S35 berechnet Tragringe und Ringträger für Druckbehälter nach AD 2000-Merkblatt S 3/5. Ringlagerungen kommen zum Einsatz, wenn stehende Behälter nicht über eine Standzarge oder Füße, sondern über einen umlaufenden Ring auf Stützen, Konsolen oder einer Tragkonstruktion abgesetzt werden – typisch bei Apparaten in Stahlbaugerüsten, Silos und Behältern in Prozessanlagen. Wer einen Tragring berechnen will, muss neben dem Ringquerschnitt auch die Krafteinleitung aus der Behälterschale und die Auflagerpunkte betrachten.
Das Programm ermittelt für alle relevanten Lastfälle – Eigengewicht, Füllung, Prüfbedingung sowie äußere Zusatzlasten – die Schnittgrößen des Ringes (Biegemomente, Normal- und Querkräfte) und stellt sie den zulässigen Werten gegenüber. Darauf aufbauend führt es den globalen Festigkeitsnachweis des Ringquerschnitts, den lokalen Nachweis an den Lasteinleitungsstellen und den Festigkeitsnachweis der Schweißnähte zwischen Behälterschale und Ring.
Grundlage ist das AD 2000-Merkblatt S 3/5 (Ausgabe 2010-02) aus der S3-Reihe „Nachweis der Standsicherheit", die die drucktragende Auslegung der B-Reihe um die Lagerungs- und Aufstellungsnachweise ergänzt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: AD 2000 S 3/5: 2010-02
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie und Lagerung festlegen: Zunächst werden Behälterdurchmesser, Wanddicke, Ringprofil (z. B. Rechteckprofil oder verstärkte Querschnitte mit Rippen) sowie Anzahl und Anordnung der Auflagerpunkte am Ring definiert. Auch die Schweißnahtausführung zwischen Schale und Ring gehört zur Eingabe.
- Lastfälle zusammenstellen: Für Betriebs- und Prüfzustand werden die vertikalen Gewichtslasten (Behälter, Einbauten, Füllung, Isolierung) sowie Zusatzlasten wie Momente und Einzelkräfte aus angeschlossenen Bauteilen erfasst. Aus der Gesamtlast ergibt sich die auf den Ring wirkende Linienlast.
- Schnittgrößen des Ringes ermitteln: Nach den Beziehungen des Merkblatts werden für jeden Lastfall die maßgebenden Schnittgrößen im Ring berechnet: Biegemomente um beide Achsen, Normalkraft und Querkraft, jeweils an den kritischen Stellen zwischen und über den Auflagern.
- Globaler und lokaler Festigkeitsnachweis: Die aus den Schnittgrößen resultierenden Spannungen im Ringquerschnitt werden mit den zulässigen Spannungen des Ringwerkstoffs bei Berechnungstemperatur verglichen. Zusätzlich wird die lokale Beanspruchung an den Krafteinleitungsstellen (Auflager, Rippen) nachgewiesen.
- Schweißnahtnachweis: Abschließend wird die Verbindungsnaht zwischen Behälterschale und Tragring nachgerechnet: Die übertragenen Schub- und Normalspannungen in der Naht müssen unter den zulässigen Schweißnahtspannungen liegen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Innendurchmesser des Behälters | d1 | mm |
| Innendurchmesser des Ringes | d3 | mm |
| Außendurchmesser des Ringes | d4 | mm |
| Durchmesser zum Querkraftmittelpunkt | d5 | mm |
| Durchmesser zur Streckenlast | d6 | mm |
| Durchmesser zur Stützkraft | d7 | mm |
| Wanddicke des Ringes | e3 | mm |
| Wanddicke des Ringes | e4 | mm |
| Wanddicke des Ringes | e5 | mm |
| Wanddicke der Versteifungsrippe | e6 | mm |
| Zulässige Beanspruchung des Rippenwerkstoffes | fR | N/mm² |
| Zulässige Spannung | f | N/mm² |
| Naht 1 | ≥ | N/mm² |
| Zulässiges Einheitsbiegemoment | mb | N·mm |
| Zulässiges Einheitstorsionsmoment | mt | N·mm |
| Zahl der Stützen | ns | – |
| Zulässige Einheitsquerkraft | qt | N |
| Abstand | t0 | mm |
| Rippenbreite | u | mm |
| Rippenhöhe | w | mm |
| Geometrieverhältnis | y | – |
| Querschnittsfläche | AT | mm² |
| Fiktive Gesamtkraft (pro Stütze) | F | N |
| Torsionsmoment im Ringquerschnitt | Mt | N·mm |
Berechnungsoptionen
Gleichmäßige Lagerung
Nein · Ja
Außenliegender Ring
Nein · Ja
Art des Profils
Kastenprofil · Offenes Profil
Lastfall
Betrieb · Prüfung · Einbau · Sonderfall
Häufige Fragen
Wann ist eine Ringlagerung gegenüber Standzarge oder Sätteln die richtige Wahl?
Ringlagerungen bieten sich an, wenn ein stehender Behälter in eine Bühnen- oder Gerüstkonstruktion eingehängt wird und der Raum unter dem Boden frei bleiben soll, etwa für Auslauforgane oder Rührwerksantriebe. Standzargen (AD 2000 S 3/1) leiten die Last flächig ins Fundament, Sättel (S 3/3) sind für liegende Behälter vorgesehen. Der Tragring erlaubt eine punktuelle Auflagerung auf wenigen Stützen, konzentriert dafür aber Biegemomente im Ring, die nachzuweisen sind.
Warum genügt der globale Spannungsnachweis des Ringes nicht?
Zwischen den Auflagern wirkt der Ring als biegebeanspruchter Träger, an den Auflagerpunkten selbst treten jedoch konzentrierte Krafteinleitungen auf, die lokale Spannungsspitzen in Ring und Behälterschale erzeugen. AD 2000 S 3/5 verlangt deshalb neben dem globalen Nachweis des Ringquerschnitts einen lokalen Nachweis an den Lasteinleitungsstellen und den Nachweis der Verbindungsnähte – ein Ring kann global ausreichend, lokal aber überlastet sein.
Welche Lastfälle müssen mindestens untersucht werden?
Maßgebend sind in der Regel der Betriebszustand mit Füllung und Zusatzlasten sowie der Prüfzustand mit Wasserfüllung, der bei Gasbehältern oder Behältern mit leichtem Medium oft die höchste Gewichtslast liefert. Zusätzlich sind äußere Kräfte und Momente aus Rohrleitungen, Anbauten oder Wind zu berücksichtigen, soweit sie über die Lagerung abgetragen werden.
Beeinflusst der Innendruck den Nachweis des Tragringes?
Der Ring selbst trägt primär die Gewichts- und Zusatzlasten. An der Verbindungsstelle überlagern sich jedoch die Membranspannungen der drucktragenden Schale mit den örtlichen Biegespannungen aus der Ringlagerung. Die Schale muss daher nach der B-Reihe druckfest ausgelegt sein, und die Interaktion an der Anschlussstelle wird im lokalen Nachweis des Merkblatts erfasst.