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TÜV NORD DIALOGTAGE 2018 Thema: Standsicherheitsnachweis für Behälter mit StutzenlastenU. Klinger, TÜV NORD Systems GmbH & Co. KG

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THEMENGEBIET ENTWURFSPRÜFUNG

STANDSICHERHEITSNACHWEIS FÜR BEHÄLTER MIT STUTZENLASTEN „Meilensteine“ in Regelwerken für Druckgeräte

Relevante Stutzenlasten und erforderliche Angaben

Erforderliche Nachweise

Stutzenlasten & Standsicherheit (EN 13445 und AD 2000)

Unterscheidung von Stutzenlasten

Globaler Standsicherheitsnachweis (AD 2000-S3/0)

Empfehlungen (Berechnung von Stutzenlasten und Tragösen)

Uwe Klinger │ TÜV NORD Dialogtage 2018 "Konstruktion, Dokumentation und Entwurfsprüfung von Druckgeräten nach RL 2014/68/EU"

Uwe Klinger │ TÜV NORD Dialogtage 2018 "Konstruktion, Dokumentation und Entwurfsprüfung von Druckgeräten nach RL 2014/68/EU"3

„Meilensteine“ in Regelwerken für DruckgeräteLastwechselberechnungKap. 17, 18 EN 13445-3, AD 2000-S1/-S2

StandsicherheitsnachweiseKap. 16 EN 13445, AD 2000-S3/…

Finite-Element-Methoden

DGRL & Erstausgabe der EN 13445 etc.(Entwicklung von ASME Division VIII-2)

Globaler Standsicherheitsnachweis- VCI-Leitfaden von 10/2012- Entwurf AD 2000-S3/0 von 12/2015

Auswirkung von Stutzenlasten auf Behälter

Rohrleitungsanschlusslasten müssen mit den zulässigen Stutzenlasten des Behältersabgeglichen werden!

Stutzenlasten wirken auch auf die Sattellager!


globaler Standsicherheitsnachweis


Wann sind Rohrleitungslasten relevant?

Typ C

Typ B

Typ B

Typ A

Typ C:Detaillierte Rohrsystemberechnung

Typ B:Visuelle Prüfung durchStress-Berechner

Typ A:Rohrleitungskonstrukteur

Jede Rohrleitung hat Anschlusslasten, die auf Stutzen von Behältern, Pumpen etc. und deren Flansche wirken.

Bei - kleinen Nennweiten (≤ DN 50),- kaltgehenden (bis ca. 150 °C) und- „weich“ verlegten Rohrleitungen (mit vielen Rohrbögen)

sind Anschlusslasten oft nicht relevant.

Angabe von Stutzenlasten


Fax. Fy Fz Mt Mb y Mb z

Axialkraft Querkraft Querkraft Torsion Biegung Biegung

1500 N 2000 N 2000 N 500 Nm ±1200 Nm 1200 Nm

Vorzeichen?

Standardlasten (Planzahlen)100 °C 200 °C 300 °C 400 °C

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nur 1 Kraft & 2 Momente(… mit der größten Schädigungswirkung)

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möglicheBezugspunkte für

Stutzenlasten

Angabe von Stutzenlasten

LWN-StutzenLong Welding Neck


Kräfte und Momente an Stutzen in Zylindern

StutzengrößeDN 300, PN 10

3 Kräfte 3 MomenteF1 [N] F2 [N] F3 [N] M1 [Nm] M2 [Nm] M3 [Nm]14.000 14.000 10.000 13.000 9.000 11.000

Axialkraft Querkräfte Torsion Längs- und Querrichtung

3 Momente3 Kräfte


Flansch und Schrauben(Dichtung)

dünnerFlanschansatz

Stutzen-einschweißung

KehlnahtVerstärkungs-scheibe

äußere Kräfte & Momente(z.B. Wärmedehnung, Gewicht, Wind,Erdbeben, Rückstoß von Ventilen …)

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2

3

4

kritischer Querschnitt

Nachweise am Stutzen

Scheibenbreiteca. 𝑏𝑏 = 𝐷𝐷𝑎𝑎 � 𝑠𝑠

Das


Stutzenlasten an BehälternKorrodierter und nicht korrodierter Behälter mit Lasten (s. Nr. 22.4.2).

Nachweis mit 90 % Innendruck oder 70 % Windlast (< 12 Monate) bzw. 60 % Windlast (max. 3 Tage)(s. Tab. 22-1 EN 13445-3, Fußnote 4 Tafel 2, AD 2000-S3/0).

Stutzenlasten: Berücksichtigung der Lasten ist die Verantwortung des Konstrukteurs (s. Nr. 22.4.6).

Nur horizontale und vertikale Reaktionskräfte sind zu berücksichtigen,Biegemomente sollten vernachlässigt werden (s. Nr. 22.4.6).

„innere Belastungen“: lokale Lasten ohne Einfluss auf das globale Gleichgewichtdes Druckgerätes (selbstausgleichend)

„äußere Belastungen“: (das Gegenteil)

Lokale und globale Elastizität des Behälters berücksichtigen (s. Nr. 22.4.6).

Gewichte von Rohren mit ØStutzen ≤ 4 %·ØBehälter dürfen vernachlässigt werden (s. Nr. 22.4.2).

Angeschlossene Rohrleitungen können sichern oder belasten (s. Nr. 22.2.6).Dies ist abhängig vom Gesamtverhalten der Säule (z.B. Eigenfrequenz; s. Nr. 22.4.6)

Es muss nicht angenommen werden, dass alle Horizontalkräfte in dieselbe Richtung wirken (s. Nr. 2.2.4.6).

EN 13445-3(Empfehlungen und Regeln in Kapitel 22,

9 Seiten, Behälter auf Standzarge)


Statische Zusatzkräfte sind (…) anzugeben, wenn dadurch die Beanspruchung der Behälterwand um mehr als 5 % erhöht wird (…) (s. Nr. 4.5 in AD 2000-B0).

Nachweisverfahren für Stutzenlasten nach AD 2000-S3/6: PD 5500, WRC 107, WRC 297, KTA 3211.2Problem: Geltungsbereiche, zusätzliche Lastwechsel oder Zeitstandbereich

Stutzenlasten bei ≤ DN 50 können beim Standsicherheitsnachweis vernachlässigt werden (s. Nr. 4.1.4.10, AD-S3/0).

Wind & Schnee: Abminderung auf 90 %(außer in Kombination mit Gewicht/Druck/Temperatur; s. Fußnote 4 Tafel 2, AD 2000-S3/0)

Erdbeben: Plastische Verformung von Behälter und Auflager istzulässig (aber nicht an den Ankerschrauben; s. Nr. 4.3.4.3 in AD 2000-S3/0).

Stutzenlasten sind (falls relevant) auch bei Prüf- oder Montagelastfällen zu berücksichtigen(s. Fußnote 5 Tafel 2, AD 2000-S3/0).

Stutzenlasten an BehälternAD 2000


Unterscheidung von Stutzen1. Ohne Lasten (z.B. Mannloch, Mess-/Probenahmestutzen) s. Nr. 4.1.4.10.1 in AD-S3/0

2. Stutzen nach HP 100 R (Flexibilitätsnomogramm, Stützweitentabelle) s. Nr. 1 in AD-S3/6

10 % höherer Berechnungsdruck für Stutzen und >DN 600-Flansche.Kein globaler Standsicherheitsnachweis (s. Nr. 4.1.4.10.2 in AD-S3/0).

3. Standardlasten nach Tabellen (Planzahlenverfahren)Die ungünstigste Wirkrichtung (+/-) der Lasten aller Stutzen annehmen!(s. Nr. 4.1.4.10.3 und Nr. 5.3 Anh. 2 in AD-S-3/0).

QuadratischeÜberlagerung

der Lastenaller Stutzen

Anzahl Stutzen Abminderungsfaktor

1 𝛼𝛼 = 100 %2 𝛼𝛼 = 90 %3 𝛼𝛼 = 80 %≥4 𝛼𝛼 = 70 %

AD 2000


Quadratische Überlagerung von KräftenAddition von Kräften

F1

F2

F3

F1

F2

F3

42 % Abminderung bei3 gleich großen Lasten

Satz vonPythagoras


Standardlastennach Tabellen

(Planzahlenverfahren)

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7M1-M7


Unterscheidung von Stutzen

4. Stutzen mit realen Lasten und bekannter WirkrichtungStutzenlasten wurden- durch eine Rohrleitungsberechnung ermittelt,- sind von einem Rührwerk bekannt

(max. Anfahrmoment aus der Getriebe-Übersetzung,außermittiger Motor/Getriebe),

- Gewicht einer angeflanschten Armatur.Reale Lasten sind bei Stutzen, Flanschen und Tragelementenzu berücksichtigen.

AD 2000

Stutzenlasten addieren und auf die

Tragpratzenebenetransformieren

(für alle Lastfälle).


Globaler Standsicherheitsnachweis

• Min./max. betriebliches Gesamtgewicht,

• Ein-, Anbauten,evtl. Füllungen,Ausmauerungen

• Windlast,

• Schneelast,

• Verkehrslasten

• Erdbeben etc.Tragpratzenebene


Sattellagerung

Axialkräfte & Biegemoment

Standzarge

Gewichtskraft

Diese Lasten können Regelwerke berücksichtigen

Für diese Lasten wäre ein finite-element-Nachweis erforderlich

leer/voll

leer/voll

16.8 EN 13445-3AD 2000-S3/2

16.12 EN 13445-3AD 2000-S3/1

Schweißnaht

Ausschnitte

FußringAnkerschrauben,Fundamentlasten

Vakuum


FestlagerGleitlager

Maßgebende Last: Längskraft

Das feste Sattellager trägt Längskräfte

allein

bei 2 Sätteln: 𝛼𝛼 = 1(s. Nr. 5.3 Anh. 2 AD-S3/0)

Für diese Lastenwäre ein finite-element-Nachweis erforderlich.

Sattellagerung

Ein Nachweis bei Vakuum ist möglich

(s. Nr. 16.8.6.2 EN 13445-3)

Uwe Klinger │ TÜV NORD Dialogtage 2018 "Konstruktion, Dokumentation und Entwurfsprüfung von Druckgeräten nach RL 2014/68/EU" Tragpratzen

Füße

Gewichtskraft, Momente, Horizontalkraft

leer/voll

Gewichtskraft, Momente

leer/voll

Viele Geometrie-bedingungen

nur für Rohrfüße

Ø dF = 0,7-0,8 Da

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16.10 EN 13445-3AD 2000-S3/4

16.11 EN 13445-3AD 2000-S3/3

Vakuum

Vakuum


RingträgerTragringleer/voll

Gewichtskraft, Momente Gewichtskraft, Momente

leer/voll

16.13 EN 13445-3AD 2000-S3/5

16.13 EN 13445-3AD 2000-S3/5

Vakuum

Vakuum


Innenliegender Ring- Sattellager -

Äußerer Ring- Sattellager -

Äußerer Ring- mit Füßen -

Äußerer Ring- Aufhängung -

Liegende Behälter mit Ringlagerung

Nr. 16.9 EN 13445-3


Empfehlung für die Vordimensionierungvon Stutzen mit Innendruck, Axialkraft und Biegemomenten

PD 5500: Stutzenlastenberechnung incl. Verstärkungsscheibes. Nr. G.2.5 (Stutzen in Kugeln) oder Nr. G.2.3.5 (Stutzen in Zylindern) in British Standard PD 5500

DIMy-Modul Nr. 42 DIMy-Modul Nr. 41

EN 13445-3: Stutzenlastenberechnung(incl. Verstärkungsscheibe und Wärmespannungen)s. Nr. 16.4 (Stutzen in Kugeln) oder Nr. 16.5 (Stutzen in Zylindern) in EN 13445-3

DIMy-Modul Nr. 132 DIMy-Modul Nr. 133

Tangentiale oder schräge Stutzenin Zylindernund

Stutzen im Krempenbereich gewölbter Böden könnennur mit finite-element-Modellen nachgewiesen werden.


Nachweis von Tragösen nach EN 13445-3an Zylindern, Kugeln, Kegeln, Böden mit/ohne Verstärkungsblech

s. Nr. 16.6 / 16.7 in EN 13445-3, DIMy-Modul Nr. 134

GesonderterNachweis

für dasÖsenblech

erforderlich.

Uwe KlingerTÜV NORD Systems GmbH & Co. KG TechnikzentrumAbt. Entwurfsprüfung Festigkeit und KonstruktionGroße Bahnstr. 3122525 Hamburg Tel.: +49 40 8557-2870E-Mail: [email protected]

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