Berechnung großer Flanschverbindungen von ... - GL Group

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Entsprechend der linearen Biegetheorie resultiert aus dem Biegemoment MB und einer Axialkraft Fa eine lineare Normalspannungsverteilung im Turm-Mantelblech. Wird die Flanschverbindung auf eine Ein-SV reduziert, so erfährt die höchstbelastete SV die Betriebskraft FA am Mantelblech F A 2 M r n a b B F n a b mit dem Turmblechradius ra und der Schraubenanzahl nb. Bei der Reduktion auf die Ein-SV wird der Flansch in nb „Tortenstücke“ aufgeteilt. Der versteifende Einfluß durch die Krümmung des Flansches wird dabei vernachlässigt. In Abschnitt 3 wird gezeigt, daß die daraus resultierenden Fehler aufgrund der Flanschgröße jedoch klein sind. Außerdem erfolgt eine Begrenzung auf dicke Flansche mit (a + b) / t < 3 und dünne Mantelbleche , wie sie bei WEA- Turmflanschen üblich sind (Flanschgeometrie siehe Abb. 2.2). 2 Tragverhalten der Flanschverbindung und Versuchsdaten in der Literatur 2.1 Tragverhalten In den folgenden Abschnitten wird die Nomenklatur jeweils getrennt nach VDI 2230 oder DIN 18800 betrachtet, in bestimmten Fällen werden beide Nomenklaturen nebeneinander verwendet. Im folgenden wird das Tragverhalten einer Flanschverbindung mit vorgespannten Schrauben, wie sie sich im Versuch darstellt, beschrieben. 2.2 Kraft-Verformungs-Beziehung der zentrisch vorgespannten Schraubenverbindung Wirkt die äußere Zugkraft Z zentrisch auf eine zentrisch vorgespannte SV, so erhöht sich die Zug- kraft in der Schraube. Gleichzeitig verringert sich die Druckkraft im Druckkörper. Erreicht die Zug- kraft Z den Wert Z krit , so ist die Druckkraft gleich Null, d.h. die zentrisch vorgespannte Verbindung „klafft“ („hebt ab“). 2.3 Schraubenkraft und Mantelzugkraft der exzentrischen Schraubenverbindung Die ringförmige Flanschverbindung wird exzentrisch beansprucht und exzentrisch vorgespannt. Das Verhalten der Verbindung kann durch die Reaktion der Schraubenkraft FS aufgrund der äußeren Be- lastung FA bzw. Z am Mantelrohr (Betriebskraft) beschrieben werden. Da sich die Verfasser in den folgenden Abschnitten auf diesen FS/FA-bzw. FS/Z- Verlauf beziehen, folgt eine kurze, allgemeine Betrachtung des in Abb. 2.1 dargestellten Verlaufes. Die Schraubenkraft wächst mit zunehmender Zugkraft Z solange linear an, bis die Verbindung bei Erreichen von Z1 bzw. FAab im Bereich des Mantelbleches örtlich zu klaffen beginnt. Auf Grund der weiter fortschreitenden Klaffung steigt die Schraubenkraft progressiv an. Dieser nichtlineare Verlauf hat seine Ursache zunächst nur in der Än- derung des Auflagerbereichs zwischen den beiden Flanschen (System mit veränderlichen Auflager- bedingungen). Bei Zunahme der Betriebskaft Z bzw. FA wird die Druckspannung in Richtung der ( 1 ) 4
Flanschblechenden verlagert. Die Vorspannung des Druckkörpers wird dabei abgebaut. Dieser nichtlineare Verlauf setzt sich bis Z2 bzw. FAka fort. Dies ist diejeni- ge Zugkraft, bei der die Verbindung theoretisch so trägt, als wären die Schrauben nicht vorgespannt gewesen (gestrichelte Linie in Abb. 2.1). Die Verbindung klafft theoretisch auf voller Länge 2 , d. h. sie trägt nach dem Hebelgesetz durch sog. Kantentra- gen. Der Verlauf ist bis zur Schraubenbelastung Z3 wie- der linear. Ab Z3 ergibt sich aufgrund der nichtlinearen Materialeffekte (Plastifizierung) ein degressiver Kur- venverlauf. Die Schraube wird plastisch überdehnt und versagt durch Bruch bzw. Gewindeabstreifen. 2.4 Versuchsdaten Abbildung 2.1: Verlauf der Schraubenkraft als Funktion der Betriebskraft. PETERSEN zeigt in ([ 4 ], S. 547) und in [ 5 ] Versuchser- gebnisse von Flanschverbindungen mit deren Hilfe er seine Berechnungsmodelle absichert. Da Versuche an kompletten Ringflanschverbindungen aufwendig und schwierig durchzuführen sind, führt PETERSEN diese Ver- suche an Ein-SV durch. In eine Prüfmaschine werden zwei identische spiegelbildliche, einseitige Flanschverbindun- gen als Ein-SV eingespannt. Die Abstützung des realen Ringflansches wird durch die gegenseitige Abstützung an der Verbindung Mantelrohrblech/Flanschblech simuliert (siehe Abb. 3.1). Abbildung 2.2 zeigt die Versuchsgeo- metrie mit den Abmessungen und Vorspannkräften der untersuchten Versuchskörper. Abbildung 2.2: Abmaße des Prüfkörpers aus [ 4 ] Prüf- Flansche Schrauben Zugblech körper mm - cm kN mm mm t l a b M A Fv d s c ls 93-2 30 60 45 40 24 4,52 214 25 10 160 160 93-3 50 100 50 45 30 7,07 353 31 10 160 160 98-1 30 60 41 45 20 3,14 160 22 8 120 250 Tabelle 2.1: Versuche nach PETERSEN [ 4 ] ( Prüfkörper 93-2 u. 93-3) und [ 5 ] (Prüfkörper 98-1) 2 Es sind das „Klaffen“ im Verspannungsdiagramm (komplettes Abheben der Trennfuge der zentrischen Verbindung), sowie örtliches und großräumiges Klaffen an der wirklichen exzentrisch belasteten Verbindung, bzw. am zugehörigen Rechenmodell zu unterscheiden. 5
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