Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul IGEL führt den vollständigen Festigkeitsnachweis für druckbeanspruchte Bauteile mit einfacher oder komplexer Stutzengeometrie – etwa einen Rührwerksboden mit vielen Anschlussstutzen oder einen Mantelschuss mit dicht benachbarten Ausschnitten. Grundlage sind die AD 2000-Merkblätter B1 (Zylinderschalen), B3 (gewölbte Böden und Kugeln) und B9 (Ausschnitte) sowie die Überlagerung von Stutzenkräften und -momenten in Anlehnung an AD 2000 S3/0 (NozzleSpecApp).
In der Praxis braucht man diesen Nachweis immer dann, wenn Mehrfachausschnitte berechnen mehr bedeutet als die Einzelbetrachtung eines Stutzens: Liegen Ausschnitte in Kugelböden, Zylinderschalen, Klöpper- oder Korbbogenböden nah beieinander, beeinflussen sich ihre Verschwächungsbereiche gegenseitig, und die maximale Auslastung des Grundkörpers ergibt sich erst aus der Gesamtgeometrie. IGEL prüft alle Stutzenpaare und weist die maßgebende Kombination aus.
Ausgehend von Berechnungsdruck, Probedruck, Berechnungstemperatur, Werkstoffkennwerten mit getrennten Sicherheitsbeiwerten für Betriebs- und Prüfzustand sowie den Zuschlägen für Wanddickenunterschreitung und Korrosion ermittelt das Modul die erforderliche Grundkörperwanddicke und bewertet die ausgeführte Wanddicke für eine beliebige Anzahl von Stutzen. Es wird als Ergänzung zum AD 2000-Regelwerk eingesetzt, wenn Stutzenlasten und Ausschnittverstärkung gemeinsam nachzuweisen sind.
Regelwerk und Berechnungsbasis: AD 2000 B1 & B3 & B9 &S3.0 (NozzleSpecApp / AD S3/0)
Berechnungsumfang
- Überlagerung der Stutzenkräfte (NozzleSpecApp / AD S3/0)
- Kugelböden, maximale Auslastung mit mehrfachen Ausschnitten
- Zylinderschalen, maximale Auslastung mit mehrfachen Ausschnitten
- Klöpperböden, maximale Auslastung mit mehrfachen Ausschnitten
- Korbbogenböden, maximale Auslastung mit mehrfachen Ausschnitten
So läuft die Berechnung ab
- Grundkörper und Lastdaten definieren: Außendurchmesser und Bauform des Grundkörpers (Zylinderschale, Kugel, Klöpper- oder Korbbogenboden) werden zusammen mit Berechnungsdruck, Probedruck und Berechnungstemperatur festgelegt.
- Werkstoff- und Sicherheitskennwerte ansetzen: Für den Werkstoff werden die Festigkeitskennwerte für Betrieb und Probedruck sowie die zugehörigen Sicherheitsbeiwerte bestimmt; Schweißnahtwertigkeit, Zuschlag für Wanddickenunterschreitung und Korrosions-/Abnutzungszuschlag vervollständigen die Nachweisbasis.
- Grundkörperwanddicke nachweisen: Nach AD 2000 B1 bzw. B3 wird die erforderliche Grundkörperwanddicke für den ungestörten Bereich berechnet und der ausgeführten Wanddicke gegenübergestellt.
- Stutzengeometrie erfassen: Alle Stutzen werden mit Position, Durchmesser, Wanddicke und Bauart eingegeben. Aus der Anzahl der Stutzen ergeben sich die zu prüfenden Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den Ausschnitten.
- Einzel- und Mehrfachausschnitte nach B9 bewerten: Für jeden Ausschnitt und jedes benachbarte Stutzenpaar wird der Verschwächungsnachweis nach AD 2000 B9 geführt (mittragende Längen, Flächenvergleich der drucktragenden und tragfähigen Querschnitte). Maßgebend ist die ungünstigste Stegbreite zwischen zwei Ausschnitten.
- Stutzenkräfte überlagern und Auslastung ausweisen: Äußere Kräfte und Momente an den Stutzen werden in Anlehnung an AD 2000 S3/0 mit der Druckbeanspruchung überlagert. Als Ergebnis erhält man die maximale Auslastung des Bauteils für Betriebs- und Prüfzustand samt Bewertung aller Festigkeitsbedingungen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungstemperatur | T | °C |
| Berechnungsdruck | p | bar |
| Probedruck | p' | bar |
| Außendurchmesser | Da | mm |
| Werkstoff | Grundkörper | – |
| Festigkeitskennwert (Betrieb) | K | N/mm² |
| Festigkeitskennwert (Probe) | K' | N/mm² |
| Sicherheitsbeiwert (Betrieb) | S | – |
| Sicherheitsbeiwert (Probe) | S' | – |
| Zuschlag für Wanddickenunterschreitung | c1 | – |
| Korrosions- / Abnutzungszuschlag | c2 | – |
| Erforderliche Grundkörperwanddicke | s = max(sB; sP) | mm |
| Anzahl Stutzen | Ns | – |
| Da Außendurchmesser | = | – |
| ss Wanddicke | = | – |
| Sicherheitsbeiwert | S = | – |
| Zuschlag für Wanddickenunterschreitung | c1 = | – |
| Korrosions- / Abnutzungszuschlag | c2 = | – |
| Typ (A)aufgesetzt / (E)eingesetzt / (D)durchgesteckt / H(ausgehalst) / B(Blockflansch) | = | – |
| iÜ innerer Überstand | = | – |
| ls vorhandener äußerer Überstand | = | – |
| vb Breite Verstärkungsscheibe | = | – |
| vh Höhe Verstärkungsscheibe | = | – |
| Nennweite Stutzen 1 | 1 | mm |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Erforderliche Wanddicke (Betrieb) | sB | mm |
| Erforderliche Wanddicke (Probe) | sP | mm |
| Erforderliche Grundkörperwanddicke | s = max(sB; sP) | mm |
| Mittragende Breite | b = √[(Di+s0)·s0] | mm |
| Zulässiger unverstärkter Ausschnitt | dA1 < | mm |
| Keine gegenseitige Beeinflussung für | l > = 2·b | – |
| Max. Auslastung durch Stutzenkonfiguration | Spannung | % |
| Kritische(r) Stutzen | Stutzen | – |
| Transformierte Gesamtkraft X | FxT = FyT = FzT = | N |
| Transformierte Gesamtkraft Y | FxT = FyT = FzT = | N |
| Transformierte Gesamtkraft Z | FA = Q = | N |
| Transformierts Gesamtmoment um X | MxT = MyT = MzT = | Nm |
| Transformierts Gesamtmoment um Y | MxT = MyT = MzT = | Nm |
| Windlasten oder Erdbebenlasten siehe LV-Module EN22, EN1991 (EC1). Beben (EC8) WND(DIN 1055) , KSTA, UBC | Mb = Mz = | Nm |
| Windlasten oder Erdbebenlasten siehe LV-Module EN22, EN1991 (EC1). Beben (EC8) WND(DIN 1055) , KSTA, UBC | Mb = Mz = | Nm |
| Zusätzliches Moment aus Erdbeben- Windlasten | Mzu = Qzu = | Nm |
| Zusätzliche Querkraft | Mzu = Qzu = | N |
| Gesamte Scherkraft | FA = Q = | N |
| Gesamte Querkraft | ME = QG = | N |
| Gesamtes Einspannmoment | ME = QG = | Nm |
Häufige Fragen
Wann genügt der Einzelstutzennachweis nach AD 2000 B9, und wann braucht man die Mehrfachausschnitt-Betrachtung?
Zwei Ausschnitte dürfen nur dann getrennt betrachtet werden, wenn ihr Abstand so groß ist, dass sich die mittragenden Bereiche nicht überschneiden. Unterschreitet die Stegbreite zwischen den Stutzen die in B9 definierten Grenzen, müssen die Ausschnitte gemeinsam nachgewiesen werden – genau dafür ist IGEL gedacht. Bei Rührwerksböden mit vielen Stutzen ist die gegenseitige Beeinflussung eher die Regel als die Ausnahme.
Warum wird neben dem Betriebszustand auch der Probedruck geprüft?
Beim Wasserdruckversuch liegt der Druck deutlich über dem Berechnungsdruck, dafür gilt ein geringerer Sicherheitsbeiwert auf die Streckgrenze bei Raumtemperatur. Welcher Zustand maßgebend wird, hängt vom Verhältnis der Festigkeitskennwerte bei Berechnungs- und Prüftemperatur ab; das Modul führt deshalb beide Nachweise mit getrennten Kennwerten und Sicherheitsbeiwerten.
Wie gehen äußere Stutzenlasten in den Nachweis ein?
Kräfte und Momente aus angeschlossenen Rohrleitungen erzeugen zusätzliche Membran- und Biegespannungen im Ausschnittbereich, die sich mit den Spannungen aus Innendruck überlagern. IGEL berücksichtigt diese Überlagerung in Anlehnung an AD 2000 S3/0 (NozzleSpecApp), sodass die ausgewiesene Auslastung nicht nur den Druck, sondern auch die Stutzenlasten enthält.
Welche Grundkörperformen deckt das Modul ab?
Zylinderschalen, Kugelschalen bzw. Kugelböden sowie Klöpper- und Korbbogenböden – jeweils mit maximaler Auslastung bei mehrfachen Ausschnitten. Bei gewölbten Böden ist zusätzlich zu beachten, dass Ausschnitte grundsätzlich in der Kalotte liegen sollen; im Krempenbereich gelten verschärfte Anforderungen.