Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modulpaket EN11 berechnet Flanschverbindungen nach DIN EN 13445-3, Kapitel 11 auf Basis des Taylor-Forge-Verfahrens. Abgedeckt sind nahezu alle Bauformen: feste Flansche mit und ohne Ansatz, Losflansche mit Bund oder Bördel, Umkehrflansche sowie Verbindungen mit Dichtungen im Kraftnebenschluss oder Vollflächendichtungen – jeweils für Innen- und Außendruck. Hinterlegt sind zusätzlich die kompletten Abmessungstabellen der EN 1092-1 für die Druckstufen ab PN 6, sodass Normflansche direkt übernommen und rechnerisch nachgewiesen werden können.
Wer eine Flanschberechnung nach EN 13445-3 durchführt, weist zwei Zustände nach: den Einbauzustand, in dem die Schraubenkraft die Dichtung auf die erforderliche Flächenpressung verformt, und den Betriebszustand, in dem die Schrauben zusätzlich die Druckkraft aus dem Innendruck halten und die Restdichtkraft sichern müssen. Aus den Schraubenkräften und ihren Hebelarmen ergeben sich die Flanschmomente, aus denen die Spannungen in Flanschblatt, Ansatz und Schale berechnet und mit den Berechnungsnennspannungen – auch für den Prüfzustand – verglichen werden.
Praktisch relevant ist zudem die Montage: Das Modul dokumentiert die Spannung in der Schraube und das maximale Anzugsmoment je Einzelschraube, gesteuert über einen Faktor für das Schraubenanzugsmoment. Damit liefert die Berechnung neben dem Festigkeitsnachweis direkt die Vorgaben für das kontrollierte Anziehen der Verbindung.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/11: 2023-12
So läuft die Berechnung ab
- Bauform und Geometrie festlegen: Zuerst werden Flanschtyp (fest, lose mit Bund, Umkehrflansch), Dichtungsart (im Kraftnebenschluss, vollflächig, Metall-auf-Metall-Kontakt) und die Abmessungen bestimmt – wahlweise direkt aus den hinterlegten EN 1092-1-Tabellen für die gewählte PN-Stufe und Nennweite.
- Dichtungskennwerte und Schraubendaten ansetzen: Für die Dichtung werden die Kennwerte für Einbau- und Betriebszustand (Vorverformungs- und Dichtungsfaktor) sowie die wirksame Dichtungsbreite bestimmt; für die Schrauben Werkstoff, Kernquerschnitt und zulässige Spannungen bei Montage-, Betriebs- und Prüftemperatur.
- Erforderliche Schraubenkräfte berechnen: Für den Einbauzustand ergibt sich die Mindestschraubenkraft aus der erforderlichen Dichtungspressung, für den Betriebszustand aus Druckkraft plus Restdichtkraft. Die maßgebende Kraft bestimmt den erforderlichen Schraubenquerschnitt bzw. die Auslastung der gewählten Verschraubung.
- Flanschmomente und Spannungen ermitteln: Aus den Kräften und ihren Hebelarmen zum Schraubenlochkreis werden die Flanschmomente für Einbau- und Betriebszustand gebildet. Nach dem Taylor-Forge-Verfahren folgen daraus die Längs-, Radial- und Tangentialspannungen in Flanschblatt und Ansatz, die mit den zulässigen Werten verglichen werden – einschließlich der Berechnungsnennspannung für den Prüfzustand.
- Nachweis für alle Lastzustände führen: Einbau-, Betriebs- und Prüfzustand werden getrennt nachgewiesen; bei Außendruck oder wechselnden Zuständen zusätzlich die entsprechenden Lastfälle. Bei Losflanschverbindungen werden Losflansch und Bund mit ihren jeweiligen Hebelarmen separat geprüft.
- Montagewerte dokumentieren: Abschließend werden die Spannung in der Schraube und das maximale Anzugsmoment je Einzelschraube ausgewiesen. Über den Faktor für das Schraubenanzugsmoment (≥ 1) lässt sich die planmäßige Vorspannung gegenüber dem Mindestwert erhöhen, etwa als Reserve für Setzverluste der Dichtung.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Lastfall | lc | – |
| Berechnungstemperatur Flansch | tF | °C |
| Berechnungsinnendruck | P | MPa |
| Werkstoff | mcF | – |
| Korrosionszuschlag | c2F | mm |
| Berechnungsnennspannung (Sonderfall) | fF,Except | N/mm² |
| Berechnungsnennspannung (Prüfung) | fFTest | N/mm² |
| Elastizitätsmodul (Betrieb) | EFOp | N/mm² |
| Elastizitätsmodul (Prüfung) | EFTest | N/mm² |
| Werkstoff | mcB | – |
| Berechnungsnennspannung (Sonderfall) | fB,Except | N/mm² |
| Berechnungsnennspannung (Prüfung) | fBTest | N/mm² |
| Elastizitätsmodul (Betrieb) | EBOp | N/mm² |
| Elastizitätsmodul (Prüfung) | EBTest | N/mm² |
| Werkstoff | mcH | – |
| Korrosionszuschlag | c2H | mm |
| Berechnungsnennspannung (Sonderfall) | fH,Except | N/mm² |
| Berechnungsnennspannung (Prüfung) | fHTest | N/mm² |
| Elastizitätsmodul (Betrieb) | EHOp | N/mm² |
| Elastizitätsmodul (Prüfung) | EHTest | N/mm² |
| Berechnungstemperatur Schrauben | tB | °C |
| Berechnungsnennspannung (Einbau) | fFA | N/mm² |
| Berechnungsnennspannung (Einbau) | fBA | N/mm² |
| Berechnungsnennspannung (Einbau) | fHA | N/mm² |
Berechnungsoptionen
Art des Flanschs (Bild 11.5-1,-2, -3)
Vorschweißflansch · Aufschweißflansch · Überschiebflansch mit Ansatz
Schraubentyp
Flanschring nicht geteilt · ein geteilter Flanschring · zwei geteilte Flanschringe
Berechnung für Innendruck=1 Außendruck=2 flagext
Innendruck · Außendruck
Berechnungsverfahren
Festflanschverfahren · Losflanschverfahren · Verfahren für Losflansche mit Ansatz
Gefüge
Ferrit · Austenit · Martensit · Duplex · nicht bekannt
Angaben zum Gegenflansch
gleiche Auslegungsbedingungen und Geometrie · unterschiedliche Auslegungsbedingungen oder Geometrie
_Flansch austenitisch? AustenitF
Kein Austenit · Austenit; Bruchdehnung < 30% · Austenit; Bruchdehnung ≥ 30% · Stahlguss
_Ansatz/Schale austenitisch? AustenitH
Kein Austenit · Austenit; Bruchdehnung < 30% · Austenit; Bruchdehnung ≥ 30% · Stahlguss
Häufige Fragen
Worin unterscheidet sich die Flanschberechnung nach EN 13445-3 Kapitel 11 von der nach EN 1591-1?
Kapitel 11 basiert auf dem Taylor-Forge-Verfahren: Es prüft Festigkeit von Flansch und Schrauben mit pauschalen Dichtungskennwerten und ist das klassische, schnell anwendbare Verfahren. EN 1591-1 rechnet die Verbindung dagegen als verformungsgekoppeltes System aus Flansch, Schrauben und Dichtung mit Dichtheitsklassen und liefert konsistente Montagekräfte für definierte Leckageraten. Bei erhöhten Dichtheitsanforderungen (TA Luft, gefährliche Medien) oder großen Temperaturtransienten ist EN 1591-1 im Vorteil; für Standardfälle ist Kapitel 11 etabliert und normkonform.
Warum muss der Prüfzustand gesondert nachgewiesen werden?
Beim Druckversuch wirkt der Prüfdruck, der deutlich über dem Berechnungsdruck liegt, allerdings bei Umgebungstemperatur und mit höheren zulässigen Spannungen (Berechnungsnennspannung für den Prüfzustand). Ob der Betriebs- oder der Prüfzustand maßgebend wird, hängt vom Verhältnis der zulässigen Spannungen bei Prüf- und Betriebstemperatur ab – gerade bei austenitischen Stählen mit stark temperaturabhängiger Festigkeit kann der Prüfzustand bemessungsrelevant werden.
Wozu dient der Faktor für das Schraubenanzugsmoment?
Die rechnerische Mindestschraubenkraft sichert Dichtungspressung und Betriebslasten gerade eben ab. In der Praxis wird höher vorgespannt, um Setzverluste, Relaxation der Dichtung und Streuung des Anziehverfahrens abzudecken. Der Faktor (≥ 1) skaliert die dokumentierte Montagevorspannung entsprechend; das Modul weist die resultierende Schraubenspannung und das maximale Anzugsmoment je Schraube zur Kontrolle aus, damit weder die Schraube überlastet noch die Dichtung zerdrückt wird.
Kann ich mit dem Modul auch Flansche unter Außendruck oder mit äußeren Zusatzlasten nachweisen?
Kapitel 11 der DIN EN 13445-3 deckt Innen- und Außendruck ab; das Modul unterstützt beide Fälle. Äußere Rohrleitungskräfte und -momente werden im Taylor-Forge-Verfahren klassisch über einen äquivalenten Druckzuschlag berücksichtigt. Bei dominierenden äußeren Lasten oder strengen Dichtheitsanforderungen sollte ergänzend eine Berechnung nach EN 1591-1 erwogen werden, die diese Einflüsse mechanisch konsistenter erfasst.