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Stutzenlasten EN 13445 <-> AD2000
Die Methode zum Nachweis von äußeren Lasten an verstärkten Ausschnitten (Stutzen) nach EN 13445-3 kann gegenüber den Verfahren WRCB 107, WRCB 297 und BS 5500 als eine Weiterentwicklung gesehen werden, die gerade einige essentiellen Probleme der 'alten' Verfahren vermeidet und somit als Nachweisverfahren diesen vorzuziehen ist.
In den AD2000 Merkblättern sind äußere Stutzenlasten nach Abschnitt S 3/6 zu behandeln. Damit sind diese Spannungen nach WRCB 107 nachzuweisen. Die dort ermittelten Spannungen gelten jedoch nur für den Mantelbereich, so dass das Merkblatt hierbei die zusätzliche Forderung eS/eA
≥ 0,5 enthält, was bedeutet, dass die Wanddicke des Stutzenrohres mindestens halb so dick wie die der Grundschale sein muss. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, so sind die Spannungen nach WRCB 297 zu ermitteln, in welcher zusätzlich die Spannungen im Abzweigrohr nachgewiesen werden. Der Nachweis nach WRCB 297 bedarf jedoch folgender Anmerkungen:- Die Berechnung basiert auf der linearelastischen Teorie (wie auch für WRCB 107), so dass für die Spannungsbewertung eine Spannungskategorisierung notwendig ist.
- Die Berechnungen gelten nur für Abzweige in zylindrischen Rohren.
- Die Überlagerung durch Innendruck wird nicht berücksichtigt.
- Die Biegemomentenlast muss in Richtung einer der Zylinderhauptachsen erfolgen.
Dadurch und auch um Stutzen mit äußeren Lasten witschaftlicher nachzuweisen wird heute häufig eine Berechnung auf der Basis eines Finite-Elemente Modelles durchgeführt, in der Regel auf der Basis von Schalenelementen um die geforderte Auswertung durch Spannungskategorisierung bei linearelastischer Theorie durchführen zu können. Neben marktüblichen FE Programmen kommt hier häufig Nozzle-Pro (Paulin Research) zum Einsatz. Bei Anwendung von FE Analysen ist jedoch folgendes zu beachten:
- An der Verschneidungslinie zwischen Stutzen und Mantel treten in der Regel Spannungssingularitäten auf, die bei der Spannungsauswertung behandelt werden müssten. Aus der Literatur sind Methoden bekannt, die Regelwerke gehen darauf aber nur ansatzweise ein (z.B. Spannungsspitzen). Eine direkte Auswertung der (meist maximalen Spannungen) an der Verschneidungskante ist also nicht möglich.
- Die Spannungsbewertungen erfolgen in der Regel mittels Spannungslinearisierung auf der an einem linearen Modell ermittelten Spannungen, wodurch es für die Bewertung zu ungünstig hohen Spannungen kommen kann.
Das neuere Verfahren, wie es in der EN13445-3 implementiert ist, entspricht jedoch einem Traglastverfahren und berücksichtigt auch die oben genannten Probleme. Die damit erzielten Ergebnisse ergeben günstigere Ergebnisse als die oben genannten Verfahren, liegen aber dennoch auf der sicheren Seite. Demgegenüber können Spannungsnachweise auf der Basis eines linearen FE-Modells und Spannungsbewertung durch Spannungslinearisierung Spannungsüberschreitungen aufzeigen, während Nachweise nach EN 13445-3 erfüllt werden. Dies kann im Rahmen von Prüfungen (z.B. durch akkreditierte Stellen) zu unerwünschten Diskussionen führen. Ein Nachweis per FE, als numerischer Nachweis gegenüber der Methode nach EN13445-3/16, müsste deshalb nun nicht nach (beispielsweise) EN13445-3 Anhang C sondern eben nach EN13445-3 Anhang B erfolgen, was einem Traglastnachweis entspricht.
[1] UNM EN13445 "Unfired Pressure Vessels" Background to the rules in Part 3 Design
[2] EN13445-3 Anhang B
[3] Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 110/107