Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Stutzen, Mannlöcher und Instrumentenanschlüsse unterbrechen den Kraftfluss in der drucktragenden Wand – jeder Ausschnitt muss deshalb verstärkt und nachgewiesen werden. Dieses Modul berechnet Ausschnitte und Ausschnittverstärkungen nach DIN EN 13445-3, Abschnitt 9, ergänzt um die Anforderungen der DIN EN 14025 für Tanks für gefährliche Güter. Abgedeckt sind kreisrunde, elliptische und länglich runde Ausschnitte in Zylinder-, Kegel- und Kugelschalen sowie in gewölbten Böden, jeweils unter Innen- und Außendruck.
Grundlage ist das Druckflächenverfahren der EN 13445: Die vom Druck belasteten Flächen werden den spannungstragenden Querschnittsflächen von Schale, Stutzen und Verstärkung innerhalb der mittragenden Längen gegenübergestellt. Als Verstärkungsvarianten stehen aufgesetzte (set-on), eingesetzte (set-in) und durchgesteckte (set-through) Stutzen, Verstärkungsscheiben, ausgehalste Ausschnitte und Blockflansche zur Verfügung. Für Stutzen im Krempenbereich gewölbter Böden – einer Zone mit ohnehin erhöhter Beanspruchung – bietet das Modul eine spezielle Berechnungsoption.
Neben Einzelausschnitten werden auch Mehrfachausschnitte behandelt: Liegen Öffnungen so dicht beieinander, dass sich ihre Verstärkungsbereiche überschneiden, wird der Steg zwischen ihnen in einem gemeinsamen Nachweis bewertet. Wer eine Stutzenverstärkung nach EN 13445 berechnen will, findet hier den vollständigen Ausschnittsnachweis.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/9: 2021-12 & DIN EN 14025: 2018-09
Berechnungsumfang
- Einzelausschnitte in Kugel- und Zylinderschalen
- Mehrfachausschnitte in Kugel- und Zylinderschalen
So läuft die Berechnung ab
- Grundschale definieren: Zunächst wird die tragende Schale beschrieben: Zylinder-, Kegel- oder Kugelschale bzw. gewölbter Boden (Klöpper- oder Korbbogenform), mit Durchmesser, Wanddicke abzüglich Zuschlägen, Werkstoff und Berechnungsdruck – wahlweise Innen- oder Außendruck. Die Lage des Ausschnitts (Kalotte oder Krempenbereich) entscheidet über das anzuwendende Verfahren.
- Ausschnitt und Stutzen festlegen: Erfasst werden Form und Größe des Ausschnitts (kreisrund, elliptisch, länglich rund), die Stutzenausführung (aufgesetzt, eingesetzt oder durchgesteckt), Stutzendurchmesser und -wanddicke, Überstände nach außen und innen sowie eine eventuelle Verstärkungsscheibe oder ein Blockflansch mit ihren Abmessungen.
- Mittragende Längen bestimmen: Die Norm begrenzt, wie viel Material von Schale und Stutzen als Verstärkung wirken darf: Die mittragenden Längen entlang der Schale und entlang des Stutzens werden aus Durchmesser und Wanddicke berechnet. Nur Querschnittsflächen innerhalb dieser Längen gehen als tragende Flächen in den Nachweis ein.
- Druckflächenvergleich führen: Für jeden maßgebenden Schnitt werden die druckbelasteten Flächen Ap und die tragenden Querschnittsflächen Af von Schale, Stutzen und Verstärkung mit ihren jeweiligen zulässigen Spannungen bilanziert. Die Festigkeitsbedingung ist erfüllt, wenn die tragenden Flächen die Druckbelastung mit den geforderten Sicherheiten aufnehmen; bei unterschiedlichen Werkstoffen wird die geringere Festigkeit des Anbauteils berücksichtigt.
- Mehrfachausschnitte und Abstände prüfen: Bei mehreren Öffnungen prüft das Modul das Abstandskriterium: Überschneiden sich die Verstärkungsbereiche, wird der Ligamentnachweis für den Steg zwischen den Ausschnitten geführt. Zusätzlich werden Mindestabstände zu Schweißnähten und zu Störstellen wie der Krempe kontrolliert.
- Ergebnis bewerten: Ausgewiesen werden die Ausnutzungsgrade aller Schnitte sowie – bei Bedarf – der maximal zulässige Druck des verstärkten Ausschnitts. Reicht die Verstärkung nicht aus, lassen sich Stutzenwanddicke, Scheibenabmessungen oder die Ausschnittlage variieren und der Nachweis sofort erneut führen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Lastfall | Lastfall | – |
| Berechnungstemperatur | t | °C |
| Berechnungsdruck | P | MPa |
| Bezeichnung | Schale | – |
| Dickenzuschlag | δe | mm |
| Korrosionszuschlag | c | mm |
| Umformzuschlag | δm | mm |
| Summe Zuschläge | ∑(δ) | mm |
| Kennwert Schalenwerkstoff | Schalenwerkstoff | MPa |
| safety factor | factor | – |
| Die Festigkeitsbedingung wird Auslastung | ≤1 | – |
| Kennwert | Re, Rp, Rm K | MPa |
| Sicherheitsbeiwert | S | – |
| Kennwert | Re, Rp, Rm K | MPa |
| Sicherheitsbeiwert | S | – |
| Stutzenform | nozzle | – |
| Schalen ohne Stutzen oder mit Verstärkungsscheibe | 9.4.5 d/(2 · ris) = ≤ 1 | – |
| Zylinder / Kegel mit Stutzen | 9.4.5 dib/(2 · ris) = ≤ 1 | – |
| Berechnungsnennspannung | f=Min[Rm20/2,Rpe · 3/4]= | MPa |
| Außendurchmesser (Kugelbereich, Kegel) der Schale beim größeren Ausschnitt 1 | De1 | mm |
| Außendurchmesser Öffnung, Stutzen oder Ring | d1,deb1 | mm |
| Innendurchmesser des Stutzens (oder Ring: dir) | dib1 | mm |
| Kugeln+gewölbte Böden | 9.4.5 d/De = ≤ 0.6 | – |
| Kugeln+gewölbte Böden | 9.4.5 dib/De = ≤ 0.6 | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungsdruck | P | MPa |
| Die Festigkeitsbedingung wird Auslastung | ≤1 | – |
| Berechnungsnennspannung | f=Min[Rm20/2,Rpe · 3/4]= | MPa |
| mit einem Verbindungsdurchmesser | Dc | mm |
| Innendurchmesser des Stutzens (oder Ring: dir) | dib1 | mm |
| und einer Dicke e1 (bzw. e2 nach Fig. 9.7-10) | junction | mm |
| Berechnungswanddicke | eab1 | mm |
| Berechnungsdicke | eap1 | mm |
| Anrechenbare Dicke Min. (eap1, eas) | ep1 | mm |
| Berechnungsnennspannung | f=Min[Rm20/2,Rpe · 3/4]= | MPa |
| Berechnungsnennspannung | f=Min[Rm20/2,Rpe · 3/4]= | MPa |
| Anrechenbarer äußerer Überstand | Min(lb;lbo) l'b1 | mm |
| Anrechenbarer innerer Überstand | Min(lbi;lbo/2) l'bi1 | mm |
| max. anrechenbarer äußerer Überstand | lbo1 | mm |
| max. anrechenbarer innerer Überstand | lbo1/2 | mm |
| Mittragende Länge (Zylinder-Verbindung) | lcyl | mm |
| Anrechenbare mittragende Länge | Min(ls;lso) l's | mm |
| Anrechenbare Breite Min. (lp1, k · lso1) | l'p1 | mm |
| Maximal mittragende Länge | lso1 | mm |
| (und z.B. w | = ≤0) | mm |
| Querschnittsfläche Stutzen (Ring: Afr) | Afb1 | mm² |
| Querschnittsfläche | Afp | mm² |
| Querschnittsfläche Schale | Afs | mm² |
| Querschnittsfläche Schweißnaht | Afw | mm² |
Berechnungsoptionen
Stutzenform
kein Stutzen · eingesetzt · aufgesetzt · Verstärkungsring · ausgehalst · 6
Schnittrichtung
axial · 2
Schalentyp
Zylinder · Kugel+Halbkugel+torisphärisch · elliptisch · Kegel
Anwendungsfall
Dauerfestigkeit und Bewertung nach Kap. 17 · Zeitstandsbereich · Sonstige
Regelwerk
EN 13445-3: Unbefeuerte Druckbehälter · EN 14025: Tanks für die Beförderung gefährlicher Güter
Schalentyp
Klöpperboden · Korbbogenboden · Halbkugelboden
Option
Einzelausschnitte in Kugel- und Zylinderschalen · Mehrfachausschnitte in Kugel- und Zylinderschalen
Häufige Fragen
Was bedeuten aufgesetzter, eingesetzter und durchgesteckter Stutzen für den Nachweis?
Beim aufgesetzten Stutzen (set-on) sitzt das Stutzenrohr auf der Schalenaußenseite, nur der äußere Überstand trägt mit. Beim eingesetzten Stutzen (set-in) ist das Rohr in den Ausschnitt eingeschweißt; beim durchgesteckten Stutzen (set-through) ragt es zusätzlich nach innen, sodass auch der innere Überstand innerhalb seiner mittragenden Länge als Verstärkungsfläche angerechnet werden darf. Die Ausführung beeinflusst außerdem Nahtform, Prüfbarkeit und Ermüdungsverhalten.
Warum ist der Krempenbereich gewölbter Böden für Stutzen kritisch?
In der Krempe überlagern sich bereits ohne Ausschnitt hohe Biegespannungen aus der Krümmungsänderung zwischen Kalotte und zylindrischem Bord. Ein Stutzen in dieser Zone schwächt genau den höchstbeanspruchten Bereich. Die Norm stellt dafür verschärfte Regeln bereit; das Modul bietet eine eigene Berechnungsoption für Stutzen im Krempenbereich. Konstruktiv sollte man Ausschnitte nach Möglichkeit in die Kalotte legen.
Verstärkungsscheibe oder dickwandiger Stutzen – welche Verstärkung ist besser?
Ein dickwandiger oder ausgehalster Stutzen verstärkt direkt am Ort der höchsten Beanspruchung, ist ermüdungsgünstiger und vollständig prüfbar. Verstärkungsscheiben sind fertigungstechnisch einfach und wirtschaftlich, haben aber Grenzen: Sie wirken nur über Schubübertragung der Kehlnähte, sind bei hohen Temperaturen und schroffen Temperaturwechseln ungünstig (Spalt zwischen Scheibe und Schale) und werden von der EN 13445 in Dicke und Breite begrenzt. Bei zyklischer Beanspruchung ist die integrale Verstärkung vorzuziehen.
Wann greift zusätzlich die DIN EN 14025?
Die EN 14025 gilt für Tanks zur Beförderung gefährlicher Güter (Straßen- und Eisenbahnkesselwagen, Tankcontainer). Sie verweist für die Ausschnittsberechnung weitgehend auf die EN 13445-3, setzt aber eigene Mindestwanddicken, Werkstoffanforderungen und dynamische Lastannahmen aus dem Transport an. Das Modul berücksichtigt diese Zusatzanforderungen, wenn ein Tank nach ADR/RID nachzuweisen ist.