Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul EN16.05 berechnet lokale Lasten an Stutzen in Zylinderschalen nach DIN EN 13445-3, Abschnitt 16.5. Rohrleitungsanschlüsse übertragen im Betrieb nicht nur Druck, sondern auch Axialkräfte, Scherkräfte in Längs- und Umfangsrichtung der Schale, Biegemomente um beide Achsen und Torsionsmomente. Diese Stutzenlasten erzeugen lokale Membran- und Biegespannungen im Bereich des Ausschnitts, die beim Nachweis eines Druckbehälters gesondert zu prüfen sind.
Anders als bei der Kugelschale ist die Beanspruchung am Zylinder richtungsabhängig: Ein Längsmoment wirkt anders als ein Umfangsmoment, und auch die Scherkräfte werden getrennt nach Längs- und Umfangsrichtung erfasst. Das Modul ermittelt die zulässigen Einzellasten aus Druck, Axialkraft und Momenten, bildet das resultierende Biegemoment und führt den Interaktionsnachweis für die kombinierte Beanspruchung – wahlweise mit Verstärkungsscheibe.
Die Berechnung ist mit dem Ausschnittsnachweis nach Kapitel 9 (Modul EN09) verknüpft, dessen zulässiger Berechnungsdruck in die Interaktion eingeht, sowie mit den globalen Grenzlasten für Stutzen nach Abschnitt 16.14. Damit lassen sich Stutzenlasten an Zylinderschalen durchgängig nach europäischem Druckbehälterregelwerk berechnen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 13445-3/16.5: 2018-12
So läuft die Berechnung ab
- Wirksame Wanddicke und Berechnungsnennspannung festlegen: Korrosionszuschlag und Wanddickenzuschlag werden von der Nennwanddicke abgezogen; aus Festigkeitskennwert und Sicherheitsbeiwert ergibt sich die Berechnungsnennspannung. Zusammen mit den Durchmesserverhältnissen von Stutzen und Schale bestimmen diese Größen die Tragfähigkeit des Anschlusses.
- Stutzenlasten richtungsgetrennt erfassen: Eingegeben werden die Axialkraft (Zug positiv), die Scherkräfte in Längs- und Umfangsrichtung der Schale, das Umfangs- und das Längsmoment sowie das Torsionsmoment. Aus den beiden Biegemomenten wird das resultierende Biegemoment gebildet.
- Zulässige Einzellasten nach Abschnitt 16.5 berechnen: Für den Stutzen in der Zylinderschale werden der zulässige Druck (unter Einbeziehung des Ausschnittsnachweises nach Modul EN09), die zulässige Axialkraft sowie die zulässigen Momente in Umfangs- und Längsrichtung bestimmt. Eine angerechnete Verstärkungsscheibe erhöht die Tragfähigkeit im Rahmen der Normbedingungen.
- Interaktionsnachweis führen: Die gleichzeitig wirkenden Lasten werden auf ihre zulässigen Werte bezogen und über die Interaktionsbeziehungen der Norm kombiniert. Zusätzlich werden Scher- und Torsionsbeanspruchung geprüft. Der Nachweis ist erfüllt, wenn alle Auslastungsgrade unter den Grenzwerten bleiben.
- Abgleich mit den globalen Grenzlasten: Abschließend werden die Lasten den höchstzulässigen globalen Werten für Moment und Kraft am Stutzen nach Abschnitt 16.14 (Modul EN16.14) gegenübergestellt, damit auch das Stutzenrohr selbst und seine Anbindung ausreichend dimensioniert sind. Die verwendeten Gleichungen können im Modul zur Dokumentation angezeigt werden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Lastfall | case | – |
| Verstärkungsscheibe | plate | – |
| Berechnungstemperatur | t | °C |
| Berechnungsdruck | P | MPa(p) |
| Schalenaußendurchmesser | De | mm |
| Nennwanddicke der Schale | en | mm |
| Stutzenaußendurchmesser | de | mm |
| Nennwanddicke des Stutzens | enb | mm |
| Außendurchmesser der Verstärkungsscheibe | d2 | mm |
| Nennwanddicke der Verstärkungsscheibe | en2 | mm |
| Shell Material | Material | – |
| Wanddickenzuschlag | c1 | mm |
| Korrosionszuschlag | c2 | mm |
| Kennwert | Ks | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert | Ss | - |
| Berechnungsnennspannung | f | N/mm² |
| Nozzle Material | Material | – |
| Wanddickenzuschlag | c1ST | mm |
| Korrosionszuschlag | c2ST | mm |
| Kennwert | KN | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert | SN | - |
| Berechnungsnennspannung | fb | N/mm² |
| Reinforcement Material | Material | – |
| Wanddickenzuschlag | c1RT | mm |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Zulässiger Berechnungsdruck (Modul EN09) | Pmax | MPa(p) |
| Höchstzulässiges globales Moment am Stutzen (Modul EN 16.14) | Mmax | N·mm |
| Höchstzulässige globale Kraft am Stutzen (Modul EN 16.14) | Fmax | N |
| Berechnungswanddicke Schale | ea | mm |
| Schaleninnendurchmesser | Di | mm |
| Mittlerer Schalendurchmesser | D | mm |
| Berechnungswanddicke Stutzen | eb | mm |
| Stutzeninnendurchmesser | di | mm |
| Mittlerer Stutzendurchmesser | d | mm |
| Dicke der Verstärkungsscheibe | e2 | mm |
| Breite der Verstärkungsscheibe | L | mm |
| Längenbedingungen | length | – |
| Kombinierte Wanddicke von Schale und Verstärkungsscheibe | ec | mm |
| Äquivalente Schalenwanddicke | eeq | mm |
| Verhältnis | ea/D | - |
| Verhältnisbedingungen | Ratio | – |
| Verhältnis | ea/eb | - |
| Verhältnis | D/ec | - |
| Verhältnis | eb/ec | - |
| Stutzenparameter | λc | - |
| Prüfung des Verhältnisses ea/R | ea/R | – |
| Axiallastfaktor | C1 | - |
| Faktor für Umfangsmoment | C2 | - |
| Faktor für Längsmoment | C3 | - |
Berechnungsoptionen
Lastfall
Betrieb · Prüfung
Verstärkungsscheibe
Ja · Nein
Gibt es weitere lokale Lasten?
Ja · Nein
Häufige Fragen
Warum werden Längs- und Umfangsmoment am Zylinder getrennt behandelt?
Die Zylinderschale reagiert richtungsabhängig: Die Steifigkeit und die Spannungsverteilung um den Ausschnitt unterscheiden sich in Längs- und Umfangsrichtung deutlich, deshalb liefert die Norm getrennte zulässige Momente für beide Richtungen. Erst für den Interaktionsnachweis werden die Anteile über das resultierende Biegemoment bzw. die Interaktionsbeziehung zusammengeführt. Bei der Kugelschale (Abschnitt 16.4) entfällt diese Unterscheidung wegen der Rotationssymmetrie.
Gilt der Nachweis auch für Ausschnitte mit aufgesetztem Rohrstutzen ohne Durchsteckrohr?
Abschnitt 16.5 gilt für Stutzen in Zylinderschalen innerhalb der geometrischen Grenzen der Norm, insbesondere für das Verhältnis von Stutzen- zu Schalendurchmesser und die Wanddickenverhältnisse. Aufgesetzte und durchgesteckte Stutzen sind abgedeckt, sofern die Schweißverbindung die Lasten vollständig übertragen kann. Außerhalb der Grenzen (sehr große Ausschnitte, Schrägstutzen) sind genauere Verfahren wie der Nachweis mittels FEM nach Anhang C erforderlich.
Was ist eine typische Fehlerquelle bei der Eingabe der Stutzenlasten?
Häufig werden die Lasten im falschen Koordinatensystem übergeben: Die Rohrstatik liefert Schnittgrößen oft im globalen Anlagensystem, während der Nachweis die Komponenten bezogen auf die Schale benötigt (längs/umfangs). Auch die Vorzeichenkonvention der Axialkraft (Zug positiv, vom Behälter weg) und die Frage, ob die Lasten am Stutzenende oder am Schalenanschnitt gelten, müssen konsistent sein – Momente wachsen mit dem Hebelarm der Stutzenlänge.
Muss zusätzlich ein Ermüdungsnachweis geführt werden?
Wenn die Stutzenlasten oder der Druck zyklisch schwanken (An-/Abfahrvorgänge, Chargenbetrieb), ist die Schwingbreite der lokalen Spannungen zu bewerten. DIN EN 13445-3 stellt dafür den vereinfachten Nachweis nach Kapitel 17 und den detaillierten Nachweis nach Kapitel 18 bereit; die lokalen Spannungen aus Abschnitt 16.5 sind dafür die Eingangsgröße.