Fachübersicht
Das Modul BS55 berechnet liegende zylindrische Behälter auf Sattellagern nach der britischen Druckbehälternorm BS 5500 (Ausgabe 1985) unter Berücksichtigung von Zusatzkräften. Die Norm ist in dieser Fassung zurückgezogen — Nachfolger ist die PD 5500 (Specification for unfired fusion welded pressure vessels), in Europa zudem DIN EN 13445-3 mit dem Kapitel für Sattellagerungen. Für die Nachrechnung von Bestandsbehältern, die nach BS 5500 ausgelegt wurden, und für Vergleichsrechnungen bleibt das Verfahren weiterhin relevant.
Die Berechnung folgt dem klassischen Ansatz der Sattellagerungsanalyse (nach Zick): Der Behälter wird als Träger auf zwei Stützen betrachtet, der durch Eigengewicht, Füllung und Sattellast beansprucht wird. Aus Zylinderlänge, mittlerem Radius, Wanddicke, Wölbungshöhe der Böden, Sattelabstand, Sattelbreite und Umschlingungswinkel ermittelt das Modul die Biegemomente in Behältermitte und in der Sattelebene sowie daraus die Longitudinalspannungen (jeweils oben und unten), die Scherspannungen und die Umfangsspannungen am Sattelhorn und im Bereich der Auflage — überlagert mit den Spannungen aus dem Berechnungsdruck.
Ob die Sättel mit dem Behälter verschweißt sind, geht als eigene Randbedingung ein, da sich damit die Schubübertragung und die örtliche Beanspruchung am Sattel ändern. Damit lässt sich ein liegender Behälter auf Sätteln berechnen und die Zulässigkeit aller Spannungskomponenten nachweisen.
Typischer Arbeitsablauf
Geometrie und Lagerung erfassen
Eingegeben werden Zylinderlänge einschließlich zylindrischem Bord, mittlerer Behälterradius, Wanddicke und Wölbungshöhe der Böden sowie die Lage der Sättel (Abstand zur Wölbung), die Sattelbreite und der Umschlingungswinkel. Zusätzlich wird angegeben, ob Sattel und Behälter verschweißt sind.
Lasten festlegen
Die Sattellast folgt aus Eigengewicht, Betriebs- bzw. Prüffüllung und etwaigen Zusatzkräften; der Berechnungsdruck liefert die überlagerten Membranspannungen. Bei der Wasserdruckprüfung ist die volle Füllung mit Wasser der oft maßgebende Lastfall.
Biegemomente als Träger auf zwei Stützen berechnen
Der Behälter wird als Balken mit den Böden als mittragenden Enden idealisiert. Berechnet werden das Biegemoment in der Behältermitte (Feldmoment) und das Moment in der Sattelebene (Stützmoment), abhängig von Sattelabstand und Behälterlänge.
Longitudinal- und Schubspannungen ermitteln
Aus den Momenten folgen die Längsspannungen in Behältermitte und Sattelebene, jeweils oben und unten, wobei in der Sattelebene nur der mittragende Schalenanteil wirksam ist, sofern der Querschnitt dort nicht durch Böden oder Ringe ausgesteift wird. Zusätzlich wird die Scherspannung im Übergangsbereich am Sattel berechnet.
Umfangsspannungen am Sattel nachweisen
Am tiefsten Punkt der Auflage und am Sattelhorn (Sattelende) entstehen örtliche Umfangsspannungen, die vom Umschlingungswinkel, der Sattelbreite und der Verschweißung abhängen. Alle Spannungskomponenten werden mit den zulässigen Werten der Norm verglichen; Überschreitungen führen zu größerem Umschlingungswinkel, Verstärkungsblechen oder Versteifungsringen.
Häufige Fragen
Warum ist das Sattelhorn die kritische Stelle?
Am Ende des Sattels (Sattelhorn) geht die gestützte Schale abrupt in den ungestützten Bereich über. Dort konzentriert sich die Umfangsbiegung aus der örtlichen Lasteinleitung; die Spannungen steigen mit kleinerem Umschlingungswinkel und dünnerer Wand stark an. In der Praxis versagen Sattellagerungen fast immer am Sattelhorn — Abhilfe schaffen größere Umschlingungswinkel (üblich 120°), Verstärkungsbleche mit ausreichendem Überstand oder Versteifungsringe.
Welche Rolle spielt der Abstand der Sättel von den Böden?
Gewölbte Böden steifen den Zylinderquerschnitt aus. Liegt der Sattel nahe am Boden (Faustregel: Abstand kleiner als etwa der halbe Radius), wirkt der Boden mittragend, der Querschnitt in der Sattelebene bleibt rund und die Longitudinal- und Schubspannungen fallen günstiger aus. Weit innenliegende Sättel reduzieren zwar das Feldmoment in Behältermitte, erhöhen aber Stützmoment und Ovalisierung — die Sattelposition ist immer ein Kompromiss beider Effekte.
Was ändert sich, wenn Sattel und Behälter verschweißt sind?
Ein verschweißter Sattel überträgt Schubkräfte kontinuierlich in die Schale und verhindert Relativverschiebungen; die Norm setzt dafür andere Beiwerte für Scher- und Umfangsspannungen an als bei losem Auflegen. Zu beachten ist: Bei zwei Sätteln darf nur ein Sattel als Festlager verschweißt bzw. fixiert werden — der zweite braucht Langlochführung, damit die Wärmedehnung des Behälters keine Zwangskräfte erzeugt.
Ist die Berechnung nach BS 5500:1985 heute noch zulässig?
Die BS 5500 in der Ausgabe 1985 ist zurückgezogen; sie lebt als PD 5500 fort, deren Sattelkapitel methodisch auf demselben Zick-Ansatz beruht. Für Neubauten im EU-Raum ist in der Regel DIN EN 13445-3 (Abschnitt 16.8) oder ein anderes anerkanntes Regelwerk anzuwenden. Für die Bewertung und Nachrechnung von Bestandsbehältern, deren Auslegungsdokumentation auf BS 5500 basiert, ist die Rechnung nach der Ursprungsnorm weiterhin sinnvoll und üblich.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7