DVS 2205-1-2015 Calculation of tanks and apparatus made of thermoplastics - Characteristic values.pdf

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1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Fgen von Kunststoffen“Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11)

2、 15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vo

3、rliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Ersetzt Ausgabe September 2013Inhalt:1 Geltungsbereich2 Sicherheitskonzept2.1 Teilsicherheitskonzept2.2 Globalsicherheitskonzept3 Festigkeitskennwerte3.1 Allgemeines3.2

4、Zeitstandfestigkeit3.2.1 Berechnen mit der Zeitstandfestigkeit3.2.2 Zeitstandkurven3.2.3 Intermittierende Beanspruchung3.2.4 Wechselbeanspruchung3.3 Isochrone Spannung-Dehnung-Diagramme3.4 Elastizittsmodul (Kriechmodul)3.4.1 Berechnen mit dem Kriechmodul4 Abminderungsbeiwerte4.1 Abminderungsbeiwert

5、(Zhigkeitsbeiwert) A14.2 Abminderungsbeiwert A2, auch A2Bgenannt (reziproker Resistenzfaktor fCR)4.3 Abminderungsbeiwert A2I5 Schweifaktor6 Erluterungen7 Schrifttum1 GeltungsbereichDiese Richtlinie gibt dem Verarbeiter von Halbfabrikaten aus thermoplastischen Kunststoffen Hinweise zur Ermittlung von

6、 Kennwerten als Berechnungsgrundlage fr den Behlter-, Appa-rate- und Lftungsbau sowie fr Industrierohrleitungen. Voraus-gesetzt wird, dass bei der Wahl der Werkstoffe und ihrer Verar-beitung die Regelwerke gem Abschnitt 7 beachtet werden. Die Angaben gelten fr berwiegend statische Beanspruchung. Fr

7、die Berechnung, Mae, Ausfhrung und Prfung der verschiede-nen Konstruktionen gelten die jeweiligen DVS-Richtlinien bzw. -Merkbltter sowie die einschlgigen DIN-, EN- und ISO-Normen. Die Zustndigkeiten bestimmter Rechtsgebiete (zum Beispiel Baurecht, Wasserrecht, Gewerberecht usw.) sind zu beachten.2 S

8、icherheitskonzept2.1 TeilsicherheitskonzeptEs werden stets folgende Standsicherheitsnachweise nach dem nachfolgend beschriebenen Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte gefhrt: Festigkeitsnachweise, Stabilittsnachweise.Die Teilsicherheitsbeiwerte stellen bei bestimmungsgemer Ver-wendung des Bauteils jed

9、erzeit whrend der zugrunde gelegten Betriebs-/Gebrauchsdauer eine ausreichend geringe Eintritts-wahrscheinlichkeit eines Versagens des Bauteils sicher.Die Teilsicherheitsbeiwerte decken neben den Streuungen der Einwirkungen (Beanspruchungen) und der Widerstnde (Bean-spruchbarkeiten) die Vereinfachun

10、gen ab, die bei der Modellie-rung der Wirklichkeit in ein berechenbares Modell gemacht wer-den.Es gilt allgemein:(1)mit SdBemessungswert der Beanspruchung(z. B. Spannung aus Belastung),RdBemessungswert der Beanspruchung(z. B. zulssige Spannung).Der Bemessungswert der vorhandenen Beanspruchung er-gib

11、t sich aus dem charakteristischen Wert der vorhandenen Be-anspruchung im Bauteil.(2)Dabei werden die charakteristischen Einwirkungen bzw. die Bean-spruchungen mit den Teilsicherheitsbeiwerten Fgem Tabelle 1multipliziert.Tabelle 1. Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungen.Die charakteristischen Wider

12、stnde bzw. die Beanspruchbarkei-ten werden durch den Teilsicherheitsbeiwert M 1,31)und die Abminderungsbeiwerte A1 und A2(Abschnitt 4) dividiert und bei Nachweisen in der Schweinaht mit dem Fgefaktor f (Abschnitt 5)multipliziert.Der Bemessungswert der Festigkeit ergibt sich aus der cha-rakteristisch

13、en Festigkeit . (3)Einwirkung TeilsicherheitsbeiwertEigengewicht, Fllung, Montage F1 = 1,35Drcke, Wind, Schnee F2 = 1,50Beanspruchung verringerndesEigengewichtF3 = 0,90Auergewhnliche Lastkombination F4 = 1,00Zwangsbeanspruchung F5 = 1,00SdRd- 1KdvorhKkvorhSdKvorhF=Kvorhd kKd*Kk*RdKdKkfMA1A2-=*1)Fr i

14、n Deutschland durch das DIBt zugelassene Werkstoffe gilt M = 1,3.Berechnung von Behltern undApparaten aus Thermoplasten KennwerteJanuar 2015RichtlinieDVS 2205-1B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Sei

15、te 2 zu DVS 2205-1Darin bedeutencharakteristischer Wert der Festigkeit (Ablesewert im Zeitstand-festigkeitsdiagramm fr die Berechnungstemperatur und die Einwirkdauer der Beanspruchung),f Fgefaktor (soweit Fgeverbindungen zu bercksichtigen sind)(f = fsbei Belastungen 1 Stunde, sonst f = fz),MTeilsich

16、erheitsbeiwert auf der Widerstandsseite fr den Werk-stoff.Die Abminderungsbeiwerte sind werkstoffabhngig, sie berck-sichtigen im Einzelnen:A1Einfluss der Zhigkeit,A2Einfluss des Umgebungsmediums (reziproker Resistenzfaktor).Fr Stabilittsnachweise gelten die gleichen Teilsicherheitsfakto-ren. Der Med

17、ieneinfluss wird auf der Widerstandsseite mit dem Abminderungsbeiwert A2I(Abschnitt 4) bercksichtigt. Die Ver-grerung der Vorbeulempfindlichkeit bei langzeitigen Einwirkun-gen ist zu beachten 15.2.2 GlobalsicherheitskonzeptUm mit frheren Berechnungen vergleichen zu knnen, wird der Gesamtsicherheitsb

18、eiwert g(frher S) bentigt. Dieser ergibt sich aus dem Produkt der beiden Teilsicherheitsbeiwerte.(4)3 Festigkeitskennwerte3.1 AllgemeinesDie Berechnung von Bauteilen erfolgt grundstzlich auf der Basis von Langzeitwerten. In Abhngigkeit von der Belastungsart sind stets die drei Versagenskriterien zu

19、beachten:1. Festigkeit,2. Verformung (zum Beispiel Durchbiegung),3. Stabilitt (zum Beispiel Knicken und Beulen).Zu 1. Die Berechnung kann durchgefhrt werden unter Bezug-nahme auf die Zeitstandfestigkeit. In den meisten Fllen liegen mehrachsige Spannungszustnde vor. Hierbei sind die grten in den Haup

20、tspannungsrichtungen auftretenden Spannungen mit der zulssigen Zeitstandfestigkeit zu vergleichen.Die Bemessungswerte werden unter Benutzung von Abminde-rungsbeiwerten (Abschnitt 4), Schweifaktor (Abschnitt 5) und Sicherheitsbeiwerten (Abschnitt 2) von den Materialkennwerten abgeleitet. Zu 2. und 3.

21、 Der bestimmende Kennwert ist hier der Kriechmo-dul. Er kann in Abhngigkeit von Zeit, Temperatur und Spannung den Kriechmoduldiagrammen entnommen werden. Die Bemessungswerte werden unter Benutzung von Abminde-rungsbeiwerten (Abschnitt 4) und Sicherheitsbeiwerten (Ab-schnitt 2) von den Materialkennwe

22、rten abgeleitet. 3.2 Zeitstandfestigkeit3.2.1 Berechnen mit der ZeitstandfestigkeitDer Bemessungswert der Festigkeit1)ergibt sich aus der Zeit-standfestigkeit, den Abminderungsbeiwerten, dem Schweifaktor und dem Sicherheitsbeiwert. Es gilt Formel (3).Der fr die Berechnung zugrunde zu legende Festigk

23、eitskenn-wert ist fr eine bestimmte Betriebszeit und -temperatur aus den Diagrammen in den Beiblttern 1 bis 4 zu entnehmen.3.2.2 ZeitstandkurvenDie Zeitstandkurven zeigen die Festigkeit in Abhngigkeit von Zeit und Temperatur. Sie sind durch jahrelange Innendruckversu-che an Rohrproben mit Wasserfllu

24、ng ermittelt worden und stel-len Mindestwerte dar (siehe Beibltter 1 bis 4). Die Zeitstandkurven basieren auf der Beziehung(4a)Darin bedeuten:A, B, C, D Koeffizienten, enthalten in den Zeitstand-Diagrammen,T Temperatur in Kelvin,t Standzeit in Stunden.Die Zeitstandkennwerte der verwendeten Halbzeuge

25、 mssen mindestens denen der vorgenannten Grundlagen entsprechen.3.2.3 Intermittierende BeanspruchungFr Anwendungsflle, bei denen regelmig wechselnde (inter-mittierende) Beanspruchungen auftreten, kann zur Ermittlung von Betriebszeiten nherungsweise die Theorie der linearen Schadensakkumulation (Mine

26、rsche Regel) zugrunde gelegt wer-den 1. Hierbei wird die zu erwartende Standzeit (tM) durch Addi-tion der Schdigungsraten aus den intermittierenden Betriebs-bedingungen ermittelt. Da die zulssige Gebrauchsdauer von Bauteilen aus Polyolefinen nicht nur von der mechanischen Beanspruchung abhngig ist,

27、sondern auch von der Wrme-alterung, muss durch eine zweite Berechnung der Einfluss der Alterung (tA) ermittelt werden. Grundlage fr die Berechnungen sind die Zeitstandkurven (Bei-bltter 1 bis 4) sowie die Wrmealterungsgrenzen der betreffen-den Werkstoffe (Beiblatt 1, Abschnitt 5 und Beiblatt 2, Absc

28、hnitt 5). Die Minersche Regel ist nicht anwendbar bei Stabilittsbe-trachtungen. Die zulssige Betriebszeit tXergibt sich durch Ver-gleich der berechneten Standzeiten tMund tA.Nach dieser Regel gilt fr die mechanische Beanspruchung (5)Fr zwei Beanspruchungen gilt dann (6)oder(7)und sinngem fr den Einf

29、luss der Alterung(8)Darin bedeuteni Anzahl der Teilbeanspruchungen,a1, a2. anAnteile der Teilbeanspruchungszeiten von der Gesamtbeanspruchungszeit in %,tM1, tM2. tMnStandzeit bei den einzelnen Betriebsbedingungen (Druck und Temperatur konstant),tA1, tA2. tAnAlterungszeiten bei den entsprechenden Tem

30、pera-turen,tMrechnerische Standzeit bei mechanischer Beanspruchung,tArechnerische Standzeit bei Einfluss der Alterung,tXzulssige Betriebszeit, min (tM, tA).Vergleiche hierzu die Beispiele in Beiblatt 7.3.2.4 WechselbeanspruchungDie Behandlung dieses Themas wrde den Rahmen dieser Richt-linie sprengen

31、. Es wird auf das folgende Schrifttum verwiesen 2.4.3.3 Isochrone Spannung-Dehnung-DiagrammeDie isochronen Spannung-Dehnung-Diagramme zeigen den Zu-sammenhang zwischen Spannung und Dehnung ber der Bean-Kk*gF2= MKk*1)ehemals zulssige SpannungIgt ABT-+ lgCT- D+ lg=aitM100 ti-1=i=1na1tM100 tM1-a2tM100

32、tM2- 1=+tM100 tM1tM2a1tM2 a2+ tM1-=aitA100 ti-1=i=1nB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 2205-1spruchungszeit. Die Abschnitte 1.2, 2.2 und 3.2 in Beiblatt 1 ent-halten z. B. die Isochro

33、nen fr 20C fr PE 63, PE 80 und PE 100. Fr andere Temperaturen knnen die Isochronen aus den temperaturbezogenen Kriechmodulkurven nach folgender Beziehung abgeleitet werden. (9)3.4 Elastizittsmodul (Kriechmodul)Anstelle des in der Konstruktionslehre verwendeten Elastizitts-moduls wird bei Thermoplast

34、en, von speziellen Fllen abgesehen,ein Kriechmodul (EC) eingesetzt. Dabei handelt es sich um den Quotienten aus Spannung und Gesamtdehnung. Der Kriech-modul ist zeit-, spannungs- und temperaturabhngig. Er kann auch mediumabhngig sein (insbesondere bei quellend wirken-den Substanzen; Kennwerte hierzu

35、 sind noch zu bestimmen). Der Kriechmodul kann fr die verwendeten Werkstoffe in Abhn-gigkeit von den genannten Parametern aus Kriechmodulkurven (Abschnitt 3.3.1 bis 3.3.3 in Beiblatt 1 fr z. B. PE 100) entnom-men werden oder als Sekantenmodul aus den Isochronen Span-nung-Dehnung-Diagrammen“ (siehe B

36、eiblatt 1, Abschnitt 3.2 fr z. B. PE 100) errechnet werden.(10)Der Kriechmodul wird verwendet: zur Ermittlung von Verformungen, bei Stabilittsrechnungen, wobei ein spezieller Sicherheitsbei-wert einzusetzen ist (siehe Abschnitt 3.4.1).Fr Belastungen bis 0,1 Stunde wird der Kurzzeit-E-Modul ver-wende

37、t, fr die wesentlichen Thermoplaste sind die tempera-turabhngigen Moduln in Tabelle 3 enthalten.3.4.1 Berechnen mit dem KriechmodulBei Stabilittsberechnungen ergibt sich der Bemessungswert aus dem Kriechmodul, dem Abminderungsbeiwert und dem Teilsicher-heitsbeiwert(11)Bei Verformungen unter Nennlast

38、 ist Mnicht zu bercksichtigen.(12)Darin bedeuten:EdBemessungswert des Kriechmoduls in N/mm2,charakteristischer Wert des Kurzzeit-E-Moduls gem Ta-belle 2,A2IAbminderungsbeiwert,MTeilsicherheitsbeiwert.4 AbminderungsbeiwerteDie nachstehend beschriebenen Abminderungsbeiwerte gelten frdie spannungsbezog

39、ene Berechnung gem Abschnitt 3.2.1.4.1 Abminderungsbeiwert (Zhigkeitsbeiwert) A1Dieser Beiwert bercksichtigt die Zhigkeit der Werkstoffe in Ab-hngigkeit von der Temperatur und ist deshalb aus Kerbschlag-zhigkeitswerten abgeleitet. Die bekannten A1-Werte sind in Bei-blttern enthalten und zwar fr PE (

40、Beiblatt 1, Abschnitt 4), fr PP (Beiblatt 2, Abschnitt 4), fr PVC-NI und PVC-RI (Beiblatt 3, Ab-schnitt 3), fr PVC-C (Beiblatt 3, Abschnitt 4.3) und fr PVDF (Beiblatt 4, Abschnitt 7). = ECEcd,tKk,t-=*EdEKA2IM-=TCEdEKA2I-=TCEKTCTabelle 2. Temperaturabhngige Kurzzeit-E-Moduln in N/mm2.Tabelle 3. Zeita

41、bhngige Langzeit-E-Moduln in N/mm2.1)Die E-Moduln fr PE drfen fr PE 80, PE 100 und PE 100-RC verwendet werden. Werkstoff 1 0 C20C30C40C50C60C70C80C90C10CPE1)1100 800 550 390 270 190 PP-H 1400 1200 960 770 620 500 400 320 PP-B 1200 1000 790 630 500 400 320 250 PP-R 1000 800 620 490 380 300 230 180 PV

42、C-NI 3200 3000 2710 2450 2210 2000 PVDF 1900 1700 1513 1340 1188 1050 926 820 727 650Werkstoff 1 Jahr 5 Jahre 10 Jahre 15 Jahre 20 Jahre 25 JahrePE1)308 269 254 245 239 235PP-H 464 393 365 350 340 330PP-B 405 334 307 293 283 275PP-R 322 298 288 283 279 276PVC-NI 1800 1695 1652 1627 1609 1600PVDF 810

43、 763 744 733 725 720EToCKEL20oCB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 4 zu DVS 2205-14.2 Abminderungsbeiwert A2, auch A2Bgenannt (reziproker Resistenzfaktor fCR)Der Abminderungsbeiwert A2quantifiz

44、iert den Einfluss des Be-triebsmediums auf die Zeitstandfestigkeit von thermoplastischen Kunststoffen. Bei PE und PP wurden zur Ermittlung des Abmin-derungsbeiwertes A2Zeitstand-Innendruckversuche an Rohrpro-ben mit Mediumfllung durchgefhrt (verwendete Rohre fr die vor-liegenden A2-Beiwerte: 32 3 mm

45、, 90 8,2 mm, 140 12,8 mm).Durch Vergleich der dabei erhaltenen Zeitstandkurven (Medium-kurven) mit der Zeitstandkurve fr Wasser ergeben sich zeit- bzw. spannungsbezogene Abminderungsbeiwerte 10; 11. In Beiblatt 5, Abschnitt 1 sind nur die fr die Festigkeitsberechnung mageblichen spannungsbezogenen A

46、bminderungsbeiwerte (A2)eingetragen. Bei parallelem Verlauf der Mediumkurve zur Was-serkurve ist der A2-Beiwert fr alle praktisch auftretenden Span-nungen gleich (siehe Beiblatt 5, Abschnitt 1.1). Fr Medien, deren Kurven flacher oder steiler als die Wasserkurve verlaufen, ergeben sich spannungsabhng

47、ige A2-Beiwerte, die fr zwei oder mehr Spannungen sind (siehe Beiblatt 5, Abschnitt 1.2).Der A2-Beiwert ist den Tabellen in Beiblatt 5, Abschnitt 1.1 bzw. 1.2 entsprechend dem Festigkeitskennwert K zu entnehmen. Ge-gebenenfalls ist linear zu interpolieren. Im Allgemeinen ist der Abminderungsbeiwert

48、A2fr verschiedene Temperaturen ann-hernd gleich. Bei PE hingegen ergaben zum Beispiel Messungen mit einigen Medien grere A2-Beiwerte (grere Schwchung) bei abnehmender Prftemperatur. Die grte nderung der Ab-minderungsbeiwerte A2bei PE-HD zwischen 80 und 20C wurde bei 20%iger Chromsure und 98%iger Essigsure festgestellt. Dort betragen die A2-Beiwerte fr 20C etwa das Dreifache des 80C-Wertes. Um verbi