Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul EN10 dient dazu, die Wanddicke ebener Böden nach DIN EN 13445-3 Abschnitt 10 zu berechnen. Erfasst werden runde und nicht runde unverankerte ebene Böden unter Innen- oder Außendruck, sowohl angeschweißte als auch verschraubte Ausführungen mit Dichtung innerhalb oder außerhalb des Schraubenlochkreises. Zusätzlich weist das Modul nach, ob Ausschnitte in solchen Böden ausreichend verstärkt sind. Rohrböden von Wärmeübertragern sind ausdrücklich nicht Gegenstand dieses Abschnitts, dafür stehen die Regeln nach Abschnitt 13 bzw. Anhang J bereit.
Ebene Böden kommen im Apparatebau überall dort zum Einsatz, wo gewölbte Böden zu aufwendig sind: als Deckel von Behältern und Schaugläsern, als Blindverschlüsse, als Böden kleinerer Apparate oder als verschraubte Endplatten. Weil eine ebene Platte den Druck fast ausschließlich über Biegung abträgt, ergeben sich deutlich größere Wanddicken als bei gewölbten Böden gleicher Belastung. Umso wichtiger ist eine genaue Berechnung nach EN 13445-3, die die Einspannwirkung der anschließenden Zylinderschale, ein eventuelles Randmoment aus der Verschraubung und die Schwächung durch Ausschnitte korrekt berücksichtigt.
Das Modul deckt dabei sowohl den klassischen runden Boden als auch rechteckige, elliptische und andere nicht runde Platten ab, für die die Norm eigene Formbeiwerte bereitstellt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/10: 2021-12
So läuft die Berechnung ab
- Bauform und Randbedingung festlegen: Zuerst wird die Bodenform (rund oder nicht rund) und die Randausführung gewählt: angeschweißt an eine Zylinderschale, verschraubt mit Dichtung im Kraftnebenschluss oder Dichtung ganzflächig. Bei verschraubten Böden entscheidet die Dichtungslage darüber, ob ein Randmoment aus der Schraubenkraft auf die Platte wirkt.
- Belastung und Werkstoffkennwerte bestimmen: Berechnungsdruck und -temperatur legen zusammen mit dem Werkstoff die zulässige Berechnungsspannung fest. Bei geschweißten Böden geht zusätzlich die Verbindung zur Schale mit ihrer Geometrie in die Berechnung ein.
- Berechnungsbeiwert ermitteln: Die Norm liefert für jede Bauform Beiwerte, die die Einspannung des Plattenrandes abbilden: bei angeschweißten runden Böden aus dem Zusammenwirken von Platte und Schale, bei verschraubten Böden aus Dichtungsgeometrie und Schraubenkräften, bei nicht runden Platten aus dem Seitenverhältnis.
- Erforderliche Bodendicke berechnen: Mit Beiwert, Berechnungsdruck und zulässiger Spannung wird die mindestens erforderliche Dicke der Platte bestimmt und um Korrosions- und Fertigungszuschläge ergänzt. Bei geschweißten Böden prüft die Norm zusätzlich die Spannungen im Übergangsbereich zur Schale, um Ermüdungsrisse am Bodenrand zu vermeiden.
- Ausschnitte nachweisen: Für Öffnungen im Boden wird nachgewiesen, dass die Restquerschnitte ausreichen. Die Norm arbeitet mit einem Verschwächungsansatz, der je nach Ausschnittsgröße und -lage eine erhöhte Bodendicke oder eine Verstärkung des Ausschnittsrandes erfordert.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnung nach Abschnitt | Abschnitt | – |
| Berechnung ähnlich | 10.5 | – |
| Berechnungstemperatur | Td | °C |
| Prüftemperatur | TTest | °C |
| Angeschlossene Zylinderschale | Zylinderschale | – |
| Dicke des Ansatzes | g | mm |
| Versatz der Wandmittellinien von Ansatz und angeschlossener Zylniderschale | bAZ | mm |
| Check: a) Der Übergangsradius des Ansatzes muss die nachstehenden Gleichungen erfüllen: | erfüllen: | – |
| Check: b) Ansatz und anschließender Zylinder dürfen versetzt sein, der Versatz ihrer Wandmittellinien darf jedoch die Differenz zwischen ihren Nennwanddicken nicht überschreiten | überschreiten | – |
| Check: c) bei einem konischen Ansatz darf die Abschrägung nicht größer sein als 1 : 3 | 3 | – |
| _Check: d) ist die an den Boden anschließende Wanddicke der Zylinderschale konstant (siehe Bild 10.4-1(a)), wird lcyl wie folgt berechnet | berechnet | – |
| Länge der Zylinderschale, wie in Bild 10.4-1 bis 10.4-3 dargestellt. | lcyl | mm |
| Innendurchmesser der Zylinderschale | Di | mm |
| Berechnungswanddicke der Zylinderschale | es | mm |
| Abstand der Außenwand des Bodens von der Schweißnaht auf der Schale | hW | mm |
| Abstand des Mittelpunktes des Radius der Entlastungsnut von der Außenfläche des Bodens | hr | mm |
| Check: b) der Radius rd muss mindestens 0,25 es oder 5 mm betragen, es gilt der jeweils höhere Wert | Wert | – |
| Check: c)1) der Mittelpunkt des Radius muss innerhalb der Dicke des Bodens liegen, (siehe Bild 10.4-3) | 10.4-3) | – |
| Check: c)2) der Abstand hw der Schweißnaht zwischen Boden und Schale von der Außenfläche des Bodens muss größer sein als (e – 2 mm), (siehe Bild 10.4-3) | 10.4-3) | – |
| Innerer Radius der Entlastungsnut, siehe Bild 10.4-3 | rd | mm |
| Term mit dem Beiwert C2 ind Gl. 10.4-10 direkt nach 10.4.6 berechnen | berechnen | – |
| Äquivalenter Durchmesser des Bodens mit Ansatz, siehe Bild 10.4-1 | Deq | mm |
| Berechnungsspannung Betrieb | fd | N/mm² |
| Mindest Berechnungsspannung Betrieb | fd, min | N/mm² |
Berechnungsoptionen
Berechnung nach Abschnitt
10.4 An Zylinderschalen angeschweißte runde ebene Böden ohne Ausschnitte · 10.5 Verschraubte runde ebene Böden ohne Ausschnitte · 10.6 Runde ebene Böden mit Ausschnitten · 10.7 Nicht runde oder ringförmige ebene Böden
Berechnung ähnlich
10.4.3 Ebene Böden mit Ansatz · 10.4.4 Kehlnahtverschweißte ebene Böden · 10.4.5 Ebene Böden mit Entlastungsnut · 10.5 Verschraubte runde ebene Böden (ohne Ausschnitte)
Angeschlossene Zylinderschale
Schalendicke konstant · Schale konisch
Dichtungsausführung
10.5.2 Böden mit innenliegender Dichtung · 10.5.3 Böden mit durchgehender Dichtung
Anzahl Ausschnitte
Ein Ausschnitt · Zwei Ausschnitte
Ausführung erster Ausschnitt
Aufschweißstutzen · Einschweißstutzen · Ohne Stutzen
Ausführung zweiter Ausschnitt
Aufschweißstutzen · Einschweißstutzen · Ohne Stutzen
Bodenspezifikation
10.4.3 Ebene Böden mit Ansatz · 10.4.4 Kehlnahtverschweißte ebene Böden · 10.4.5 Ebene Böden mit Entlastungsnut
Häufige Fragen
Warum werden ebene Böden so viel dicker als gewölbte Böden?
Ein gewölbter Boden trägt den Druck überwiegend über Membranspannungen in der Schalenfläche ab, eine ebene Platte dagegen über Biegung. Die Biegespannung wächst quadratisch mit dem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke, deshalb sind für ebene Böden bei gleichem Druck erheblich größere Wanddicken erforderlich. Ebene Böden lohnen sich daher vor allem bei kleinen Durchmessern, moderaten Drücken oder wenn die Fertigung eines gewölbten Bodens unwirtschaftlich ist.
Kann ich mit EN10 auch Rohrböden von Wärmeübertragern berechnen?
Nein. Rohrböden werden durch das Rohrbündel gestützt und gleichzeitig durch die Rohrlöcher geschwächt; ihr Tragverhalten unterscheidet sich grundlegend von dem einer unverankerten Platte. Für Rohrböden gelten EN 13445-3 Abschnitt 13 oder das Alternativverfahren nach Anhang J (Modul ENAJ).
Was bedeutet die Berechnung mit oder ohne Randmoment bei verschraubten Böden?
Liegt die Dichtung innerhalb des Schraubenlochkreises (Kraftnebenschluss), erzeugt die Schraubenkraft über den Hebelarm zur Dichtung ein Randmoment, das die Plattenbiegung erhöht und im Einbauzustand sogar bemessungsrelevant sein kann. Bei ganzflächiger Dichtung stützt die Dichtung die Platte bis zum Rand, sodass kein nennenswertes Randmoment entsteht und die erforderliche Dicke geringer ausfällt.
Welche typische Fehlerquelle gibt es beim Nachweis angeschweißter ebener Böden?
Häufig wird nur die Plattenmitte betrachtet und der Übergang zur Zylinderschale vernachlässigt. Gerade dort treten aber hohe Biegespannungen auf, die bei zyklischer Belastung zu Rissen in der Anschlussnaht führen können. EN 13445-3 verlangt deshalb Mindestanforderungen an die Anschlussgeometrie und begrenzt die Spannungen im Übergangsbereich; bei häufigen Lastwechseln ist zusätzlich ein Ermüdungsnachweis nach Abschnitt 17 oder 18 angebracht.