Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul 12516B berechnet ovale und rechteckige Flansche, die zugehörigen Schrauben sowie selbstdichtende Verschlüsse an Armaturengehäusen nach DIN EN 12516-2. Solche nicht kreisrunden Flanschformen sind typisch für Deckelverbindungen von Schiebern und Ventilen, bei denen der Bauraum keine runden Flansche zulässt oder ovale Deckel mit nur zwei Schrauben verwendet werden.
Wer eine solche Verbindung nach DIN EN 12516-2 berechnen will, muss zunächst die Mindestschraubenkräfte für Betrieb, Prüfung und Einbauzustand aus Innendruckkraft und Dichtungskraft ermitteln und anschließend nachweisen, dass die Flanschwiderstände in den maßgebenden Querschnitten die daraus resultierenden Momente aufnehmen. Das Modul führt beide Nachweise durch: die Schraubenberechnung mit den Dichtungskennwerten (wirksame Dichtungsbreite, Auslegungsfaktor, Mindestpressung) und den Flanschnachweis mit den Momenten nach Gl. 207 und Gl. 210 der Norm.
Bei selbstdichtenden Verschlüssen, deren Dichtwirkung mit dem Innendruck zunimmt, gelten abweichende Kraftansätze; auch diese Bauform deckt das Modul ab.
Regelwerk und Berechnungsbasis: DIN EN 12516-2: 2022-08
Berechnungsumfang
- Selbstdichtende Verschlüsse
- Schrauben
- Rechteckige oder quadratische Flansche
- Ovale Flansche mit mehr als zwei Schrauben
- Ovale Flansche mit zwei Schrauben
So läuft die Berechnung ab
- Lastfall und Auslegungsdaten festlegen: Für den Lastfall Betrieb oder Prüfung werden Berechnungsdruck bzw. Probedruck und die Berechnungstemperatur vorgegeben. Aus dem Werkstoff folgen die Festigkeitskennwerte K, die Sicherheitsbeiwerte und daraus die zulässigen Spannungen für Betrieb, Prüfung und Einbauzustand.
- Dichtungskennwerte erfassen: Für die gewählte Dichtung werden Außen- und Innendurchmesser, die wirksame Dichtungsbreite sowie der Auslegungsfaktor und die Mindestpressung eingegeben; daraus bestimmt das Modul die im Betrieb erforderliche Dichtungskraft und die Vorverformungskraft.
- Schraubenkräfte ermitteln: Aus Innendruckkraft und Dichtungskraft ergeben sich die Mindestschraubenkräfte für den Betriebszustand, die Vorverformung und den Einbauzustand. Sie sind die Grundlage der Schraubendimensionierung mit dem Sicherheitsbeiwert nach Abschnitt 10.3.1.
- Momente in den Flanschquerschnitten berechnen: Mit den Schraubenkräften F_SB (Betrieb/Prüfung) und F_S0 (Einbau) werden die Biegemomente nach Gl. 207 für den Querschnitt I-I und nach Gl. 210 für den Querschnitt II-II gebildet.
- Festigkeitsbedingungen prüfen: Die erforderlichen Flanschwiderstände aus den Momenten werden den vorhandenen Widerständen nach Gl. 209 und Gl. 211 gegenübergestellt. Die Verbindung ist nachgewiesen, wenn alle Festigkeitsbedingungen in jedem Lastzustand erfüllt sind.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungsdruck | p | N/mm² |
| Außendurchmesser | dA | mm |
| Berechnungsdruck | p | bar |
| Festigkeitskennwert K | K K' | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert | S | – |
| Probedruck | p' | N/mm² |
| Auslegungsfaktor der Dichtung | m | - |
| Mindestpressung der Dichtung | σvu | N/mm² |
| Ausgeführte Flanschhöhe | hF | mm |
| Sicherheitsbeiwert | S | – |
| Probedruck | p' | bar |
| Festigkeitskennwert K | K K' | N/mm² |
| Lochkreisdurchmesser | dt | mm |
| Mittlerer Dichtungsdurchmesser | dD | mm |
| Werkstoff | WNr | – |
| Schwerpunktsabstand 1 | s1 | mm |
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Schwerpunktsabstand 2 | s2 | mm |
| Halber Flanschquerschnitt im Schnitt I | A1 | mm² |
| Innendurchmesser | d0 | mm |
| Teilfläche A2 = A1 | A2 | mm² |
| Abstand | a | mm |
| Länge | b | mm |
| Innendruckkraft | Fp | N |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Schraubendurchmesser Betrieb | ds0 | mm |
| Schraubendurchmesser Probe | ds0' | mm |
| Schraubendurchmesser Einbau | ds0'' | mm |
| Konstruktionszuschlag Starrschrauben Betrieb | c | mm |
| Erforderlicher Schraubendurchmesser | ds = dk | mm |
| Schraubendurchmesser Starrschrauben + c Betrieb | Zuschlag | mm |
Häufige Fragen
Was ist das Besondere an ovalen Flanschen mit nur zwei Schrauben?
Bei zwei Schrauben liegen die Schraubenkräfte auf der Hauptachse des Ovals, und der Flansch wird wie ein Balken auf zwei Stützen mit der Dichtungs- und Druckkraft dazwischen beansprucht. DIN EN 12516-2 stellt dafür eigene Gleichungen bereit, die sich von der Berechnung ovaler Flansche mit mehreren Schrauben deutlich unterscheiden; die Bauformen dürfen nicht verwechselt werden.
Wie funktioniert ein selbstdichtender Verschluss und was ändert sich in der Berechnung?
Beim selbstdichtenden Verschluss presst der Innendruck den Deckel bzw. die Dichtung gegen die Sitzfläche, die Dichtwirkung steigt also mit dem Druck. Die Schrauben müssen im Wesentlichen nur den Einbauzustand und die Anfangspressung sicherstellen, nicht die volle Druckkraft im Betrieb. Die Kraftansätze der Norm unterscheiden sich deshalb grundlegend von der klassischen Flanschverbindung mit Krafthauptschluss über die Dichtung.
Warum muss der Einbauzustand separat nachgewiesen werden?
Im Einbauzustand wirkt die volle Schraubenvorspannkraft ohne entlastenden Innendruck auf Flansch und Dichtung. Für weiche Dichtungen mit hoher Vorverformungskraft kann dieser Zustand das größere Flanschmoment liefern als der Betriebszustand; die Norm verlangt daher den Vergleich beider Momente mit den jeweils zulässigen Spannungen.
Woher kommen die Dichtungskennwerte für die Berechnung?
Auslegungsfaktor und Mindestpressung sind dichtungsspezifische Kennwerte, die die Norm tabelliert bzw. die der Dichtungshersteller angibt. Sie hängen von Werkstoff und Bauart der Dichtung ab. Werden pauschale Werte statt der Herstellerangaben verwendet, sollte konservativ gewählt werden, da zu niedrige Pressungswerte zu undichten, zu hohe zu überlasteten Verbindungen führen.