Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul EN16.04 weist Stutzen in Kugelschalen und gewölbten Böden unter lokalen Lasten nach DIN EN 13445-3, Abschnitt 16.4 nach. Neben dem Innendruck übertragen angeschlossene Rohrleitungen Kräfte und Momente auf den Stutzen: Axialkräfte aus Rohrleitungsdehnung, Scherkräfte, Biegemomente in Umfangs- und Längsrichtung sowie Torsionsmomente. Diese Stutzenlasten erzeugen lokale Membran- und Biegespannungen im Schalenausschnitt, die der reine Ausschnittsnachweis nicht erfasst.
Wer Stutzenlasten an einer Kugelschale berechnen will, benötigt neben der Geometrie die Berechnungsnennspannung der Schale, die sich aus Festigkeitskennwert und Sicherheitsbeiwert ergibt, sowie die wirksame Wanddicke nach Abzug von Korrosions- und Wanddickenzuschlag. Das Modul ermittelt daraus die zulässigen Einzellasten (Druck, Axialkraft, Biegemoment) und führt den Interaktionsnachweis für die kombinierte Beanspruchung. Eine Verstärkungsscheibe kann berücksichtigt werden.
Zusätzlich prüft das Modul die Längsspannung im Stutzenrohr selbst einschließlich des Stabilitätsfaktors gegen lokales Beulen sowie die Schwingbreiten von Druck, Axialkraft und Momenten für die Einstufung nach dem vereinfachten Ermüdungsnachweis. Die Verknüpfung zum zulässigen Berechnungsdruck aus dem Ausschnittsnachweis (Modul EN09) und zu den globalen Grenzlasten nach Abschnitt 16.14 ist integriert.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/16.4: 2021-12
So läuft die Berechnung ab
- Wirksame Wanddicke und Berechnungsnennspannung bestimmen: Von der ausgeführten Wanddicke werden Korrosionszuschlag und Wanddickenzuschlag abgezogen. Aus dem Festigkeitskennwert der Schale und dem Sicherheitsbeiwert ergibt sich die Berechnungsnennspannung f, die Bezugsgröße aller Zulässigkeitsnachweise.
- Lasten am Stutzen zusammenstellen: Erfasst werden Druck, Axialkraft (Zug positiv), Scherkraft, Umfangs- und Längsmoment sowie das Torsionsmoment. Aus den beiden Biegemomenten wird das resultierende Biegemoment gebildet, das zusammen mit Axialkraft und Druck die maßgebende lokale Beanspruchung bestimmt.
- Zulässige Einzellasten ermitteln: Nach Abschnitt 16.4 werden der zulässige Druck (in Verbindung mit dem Ausschnittsnachweis nach Modul EN09), die zulässige Axialkraft und das zulässige Biegemoment für den Stutzen in der Kugelschale berechnet – abhängig vom Verhältnis Stutzendurchmesser zu Schalendurchmesser, der Wanddicke und einer eventuellen Verstärkungsscheibe.
- Interaktionsnachweis für kombinierte Belastung führen: Die gleichzeitig wirkenden Lasten werden auf ihre zulässigen Einzelwerte bezogen und über die Interaktionsbeziehung der Norm kombiniert. Der Nachweis gilt als erfüllt, wenn die Interaktionssumme den Grenzwert nicht überschreitet.
- Stutzenlängsspannung und Stabilität prüfen: Im Stutzenrohr wird die Längsspannung aus Druck, Axialkraft und resultierendem Biegemoment berechnet und mit der zulässigen Spannung verglichen. Bei Druckbeanspruchung wird zusätzlich der Stabilitätsfaktor gegen lokales Beulen des Stutzens nachgewiesen.
- Schwingbreiten bewerten: Für wechselnde Lasten werden die Schwingbreiten von Druck, axialer Stutzenkraft und Momenten ausgewertet. Sie dienen als Eingang für den vereinfachten Ermüdungsnachweis nach DIN EN 13445-3 und begrenzen die zulässige Lastspielzahl.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Lastfall | case | – |
| Verstärkung | plate | – |
| Berechnungstemperatur | t | °C |
| Berechnungsdruck | P | MPa(p) |
| Außendurchmesser der Schale | De | mm |
| Nennwanddicke der Schale | en | mm |
| Außendurchmesser des Stutzens | de | mm |
| Nennwanddicke des Stutzens | enb | mm |
| Außendurchmesser der Verstärkung | d2 | mm |
| Nennwanddicke Verstärkungsblech | en2 | mm |
| Art des Stutzens | Nozzle | – |
| Shell Material | Material | – |
| Wanddickenzuschlag | c1 | mm |
| Korrosionszuschlag | c2 | mm |
| Festigkeitskennwert der Schale | Ks | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert der Schale | Ss | - |
| Berechnungsnennspannung | f | N/mm² |
| Nozzle Material | Material | – |
| Wanddickenzuschlag | c1ST | mm |
| Korrosionszuschlag | c2ST | mm |
| Festigkeitskennwert der Schale | KN | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert der Schale | SN | - |
| Berechnungsnennspannung | fb | N/mm² |
| Reinforcement Material | Material | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Zulässiger Berechungsdruck (Modul EN09) | Pmax | MPa(p) |
| Zulässiges globales Moment (Module EN 16.14) | Mmax | N·mm |
| Zulässige globale Stutzenkraft (Module EN 16.14) | Fmax | N |
| Dicke der Kugelschale | ea | mm |
| Innendurchmesser der Schale | Di | mm |
| Mittlerer Durchmesser der Schale | D | mm |
| Mittlerer Schalenradius am Stutzen | R | mm |
| Berechnungswanddicke des Stutzen | eb | mm |
| Stutzeninnendurchmesser | di | mm |
| Mittlerer Stutzendurchmesser | d | mm |
| Dicke der Verstärkungsplatte | e2 | mm |
| Breite der Verstärkungsplatte | L | mm |
| Bedingungen der Länge | length | – |
| Kombinierte Dicke von Schale und Verstärkung | ec | mm |
| Äquivalente Schalendicke | eeq | mm |
| Verhältnis | ea/eb | - |
| Verhältnis | D/ec | - |
| Verhältnis | eb/ec | - |
| Faktor der Verstärkungsrate | k | - |
| Stutzenparameter | λs | - |
| Zulässige Axialkraft | Fzmax | N |
| Zulässiges Biegemoment | MBmax | N·mm |
| Schubspannung in der Schale durch Scherkraft | τF | N/mm² |
| Schubspannung verursacht durch Torsionsmoment | τZ | N/mm² |
Berechnungsoptionen
Lastfall
Betrieb · Prüfung
Verstärkung
Ja · Nein
Art des Stutzens
Aufgesetzt · Eingesteckt
Gibt es weitere lokale Lasten?
Ja · Nein
Häufige Fragen
Wann reicht der Ausschnittsnachweis nach EN 13445-3 Kapitel 9, und wann brauche ich Abschnitt 16.4?
Kapitel 9 weist die Verstärkung des Ausschnitts nur für die Druckbelastung nach. Sobald die angeschlossene Rohrleitung nennenswerte Kräfte oder Momente auf den Stutzen überträgt – etwa aus Wärmedehnung, Eigengewicht oder Reaktionskräften – müssen die daraus entstehenden lokalen Spannungen zusätzlich nach Abschnitt 16.4 (Kugelschalen) bzw. 16.5 (Zylinderschalen) nachgewiesen werden. Beide Nachweise gehören zusammen: Der zulässige Berechnungsdruck aus dem Ausschnittsnachweis geht in den Interaktionsnachweis ein.
Wie wirkt eine Verstärkungsscheibe auf die zulässigen Stutzenlasten?
Eine mit der Schale verschweißte Verstärkungsscheibe vergrößert die wirksame Wanddicke im lasteinleitenden Bereich und erhöht damit die zulässigen Einzellasten aus Druck, Kraft und Moment. Die Norm knüpft die Anrechnung an Bedingungen zur Breite und Dicke der Scheibe sowie zur Schweißverbindung; außerhalb dieser Grenzen darf die Scheibe nicht voll angesetzt werden.
Welche Vorzeichenkonvention gilt für die Axialkraft?
Im Modul ist die Axialkraft bei Zug positiv definiert, d. h. eine Kraft, die den Stutzen von der Schale weg nach außen zieht. Druckkräfte (negativ) wirken zusammen mit dem Innendruck ungünstig auf die Stabilität des Stutzenrohres, weshalb dann zusätzlich der Stabilitätsfaktor gegen Beulen geprüft wird.
Woher bekomme ich realistische Stutzenlasten für den Nachweis?
Maßgebend sind die Schnittlasten aus der Rohrleitungsberechnung (Rohrstatik) am Stutzenanschluss, ersatzweise Herstellerangaben oder projektspezifische Standardlasttabellen. Zu konservativ angesetzte Pauschallasten führen häufig zu unnötig dicken Schalen oder großen Verstärkungen – eine abgestimmte Rohrstatik zahlt sich hier unmittelbar aus.