Ringflanschverbindungen als L- oder T-Variante

Segmentansatz für die Bemessung von Ringflanschen [SEIDEL, 2001]
Segmentansatz für die Bemessung von Ringflanschen [SEIDEL, 2001]

Ringflanschverbindungen kommen überall dort zur Anwendung, wo rohrförmige Abschnitte bzw. Bauteile kraftschlüssig miteinander verbunden werden sollen. Sie stellen eine Alternative dar, wenn Schweißverbindungen aufgrund technischer oder wirtschaftlicher Kriterien nicht geeignet sind. 

Für Ringflanschverbindungen werden in der Regel vorgespannte Schrauben verwendet, die im Stahlbau übliche Abmessungen von M12 bis M30 besitzen.

Im Bereich der Windenergie werden sogar Schrauben bis zu einer Größe von M64 (siehe Größenvergleich für Schraubenverbindungen) eingesetzt. Zum Beispiel werden zwischen den Stahlturmsektionen für Windenergieanlagen planmäßig vorgespannte Ringflanschverbindungen ausgeführt. Diese Ringflanschverbindungen sind sowohl in statischer als auch in dynamischer Hinsicht extremen Belastungen ausgesetzt. Die Ringflansche sind meist einseitig als Flansche mit L-förmigem, innenliegendem Querschnitt angeordent (s. Abbildung rechts). Im Fußbereich kommen auch Flansche mit T-förmigem Querschnitt zum Einsatz.

Zahlreiche weitere Anwendungsgebiete für Ringflanschverbindungen gibt es im Maschinen- und Anlagenbau.

Bemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit

FE-Modell vom Ringflansch-Segment
FE-Modell vom Ringflansch-Segment
Spannungsplot bei Zugkraftbeanspruchung
Spannungsplot bei Zugkraftbeanspruchung

Der Nachweis der Grenztragfähigkeit von Ringflanschverbindungen erfolgt üblicherweise am höchst belasteten Segment, welches aus dem Gesamtsystem herausgeschnitten wird. Dieser Segmentansatz ist in der oberen Abbildung dargestellt. Die Zugkraft im Mantelblech des Segments ergibt sich durch Integration der Spannungen. Vorteile sind der relativ geringe Rechenaufwand und die Verfügbarkeit analytische Modelle. Als nachteilig erweist sich, dass das räumliche Tragverhalten nicht abgebildet werden kann.

Die Tragfähigkeit des herausgeschnittenen Segments hängt je nach Abmessung von der Tragfähigkeit des Flansches und/oder der Tragfähigkeit der Schraube ab. Für das Versagen der Schraube ist vor allem deren Zugtragfähigkeit maßgebend.

Die Berechnung an Gesamtmodellen  ist sehr aufwendig, führt aber prinzipiell zu einer wirtschaftlicheren Bemessung, da Umlagerungseffekte mit erfasst werden können.

 

Bemessung im Grenzzustand der Ermüdung

Allgemeiner Schraubenkraft-Zugkraft-Verlauf [SCHAUMANN et al. 2007]
Allgemeiner Schraubenkraft-Zugkraft-Verlauf [SCHAUMANN et al. 2007]

Im Grenzzustand der Ermüdung liegt üblicherweise ein elastisches Systemverhalten vor. Die Übertragungsfunktion der Schraubenkraft FS in Abhängigkeit des Turmbiegemomentes MR bzw. der anteiligen Mantelblechkraft Z weist auf der Biegzugseite einen nichtlinearen Verlauf auf (s. Abbildung rechts). Es lassen sich vier Bereiche identifizieren:

Bereich 1:   Linearer Verlauf, Abbau der Vorspannkraft bei
                   vollständig gedrückter Kontaktzone

Bereich 2:   Sukzessives Klaffen der Fuge

Bereich 3:   Klaffende Verbindung („Kantentragen“)

Bereich 4:   Fortschreitende Plastizierung bis zum Bruch

 

Neben FE-Methoden existiert eine Vielzahl verschiedener analytischer Verfahren zur Beschreibung des Schraubenkraftverlaufs, weshalb an dieser Stelle auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird.  

Ringflansche und ihr Tragverhalten unter Berücksichtigung von Imperfektionen

Die SKI Ingenieurges. mbH beschäftigt sich u.a. mit dem Tragverhalten von Ringflanschverbindungen unter Berücksichtigung von Imperfektionen. Dabei sind zunächst folgende Versagensmechanismen zu unterscheiden:

  • Versagensmechanismus A:  Schraubenversagen
  • Versagensmechanismus B:  Schraubenversagen und Fließgelenk im Mantelblech
  • Versagensmechanismus C:  Fließgelenke in Mantelblech und Flansch

Ringflansche können mit Hilfe von Segmentmodellen oder sogar Halbmodellen analysiert werden, wobei Vorspannkräfte für jede Schraube individuell angesteuert werden können.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Das Tragverhalten unterscheidet sich signifikant zwischen der Biegedruck- und Biegezugseite, weil ein Klaffen unter Zugspannungen auftreten kann. Dafür wurden im FE-Modell Kontaktelemente implementiert. Im Ergebnis stellen sich folgende Spannungen über den Umfang ein.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Um den Einfluss von Imperfektionen auf das Tragverhalten von RFL untersuchen zu können, wird von SKI das Halbmodell bevorzugt. Als Imperfektionsformen kommen hauptsächlich in Frage: 

  • Klaffen flanschseitig
  • Klaffen rohrseitig
  • Paralleles Klaffen

Das FE-Modell wurde an Versuchsergebnissen validiert, die im Rahmen der Dissertation von Dr.-Ing. M. Seidel am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover erzielt wurden. Die Traglastkurven zeigen eine sehr gute Übereinstimmung, s. Vergleich im Diagramm zwischen Segmentmodell (blaue Kurve) und Versuchsergebnisse (rote Kurve). Die 3. Kurve (grün) dient als Referenzmodell für einen anderen Ringflansch, der anschließend mit einer Gummidichtung untersucht wurde.