Ringflanschverbindungen

Ringflanschverbindungen als L- oder T-Variante

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

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

Im Grenzzustand der Ermüdung liegt üblicherweise ein elastisches Systemverhalten vor. Die Übertragungsfunktion der Schraubenkraft F_S in Abhängigkeit des Turmbiegemomentes M_R 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 Plastifizierung 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.

Monopile mit Ringflansch

Für Offshore-Windenergieanlagen wurden bislang Groutverbindungen zwischen Monopile (MP) und Transition Piece (TP) eingesetzt, um eine Kraftübertragung zwischen den Stahlrohren sicherzustellen. Neuere Entwicklungen zeigen auf, dass anstelle einer Groutverbindung eine Ringflanschverbindung mit hochfest vorgespannten Schrauben verwendet werden kann, wobei der MP bereits mit einem RFL gefertigt werden muss.

Die Rammenergie wird direkt über den Ringflansch eingebracht. Dieses Verfahren erfordert ein hohes Maß an Präzession damit das spätere Aufsetzen des Flansches vom TP problemlos erfolgen kann.

Die dynamische Beanspruchung durch den Rammprozess verursacht hohe Spannungsamplituden im Ringflansch und der Schweißnaht. Insofern ist „Pile Driving Fatigue“ bei der Akkumulation der Betriebslastkollektive zu berücksichtigen, um Aussagen über die Lebensdauer treffen zu können. Imperfektionen des Ringflansches können zu Spannungsüberhöhungen in einzelnen Abschnitten führen, sodass diese Einflussgrößen beim Ermüdungsnachweis mit zu berücksichtigen sind. Insofern sind einerseits die Kenntnisse über den Rammvorgang als Interaktion zwischen Hammer, Pfahl und Boden und anderseits die quantitativen Auswirkungen der Parameter auf die lokalen Spannungszustände von Bedeutung. Die Ingenieure von SKI sind in der Lage den Rammvorgang dynamisch zu simulieren und entsprechende Dimensionierungen zu überprüfen.

Leistungsumfang

Die SKI Ingenieurges. mbH begleitet Ringflanschverbindungen im On- und Offshore-Bereich mit folgendem Leistungsspektrum:

Rammbarkeitsanalyse (Pile Driveability)
Entwurf und Bemessung von Ringflanschen in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ermüdung (Pile Driving Fatigue)
Strukturanalysen unter Berücksichtigung von Imperfektionen
Gutachtliche Unterstützung für Ringflanschverbindungen zur Genehmigung beim BSH
Messkonzept für eine geeignetes Condition Monitoring System (CMS)