DE1060201B - Rohrverzweigungsstueck mit Verstaerkungsrippe - Google Patents

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Die Erfindung betrifft ein durch inneren oder äußeren Überdruck beanspruchtes Rohrverzweigungsstück, welches in der Ebene der Durchdringungslinie der Verzweigungsrehre eine Verstärkungsrippe aufweist.

Durch Innendruck beanspruchte Rohrverzweigungen großer Abmessungen werden im allgemeinen in der Ebene der Durchdringungslinie der Rohrwandungen mit Verstärkungsrippen ausgeführt. Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Rohrverzweigungsstück, ein sogenanntes Hosenrohr, welches Verstärkungsrippen in üblicher Bauart aufweist.

Fig. 1 zeigt den Grundriß in Außenansicht,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Seitenansicht des Stückes in
des Pfeiles in Fig. 1.

Ein zylindrisches Rohr verzweigt sich in zwei konische Rohrea₂ und a_s. Die Erzeugenden der drei Rohre berühren eine gemeinsame Kugelfläche b. Die Durchdringungslinien der drei Rohre sind dabei ebene Kurven. Das Verzweigungsstück ist längs dieser Durchdringungslinien außen durch drei Rippen C₁, c₂, c_B verstärkt. C₁ ist die Hauptverstärkungsrippe, welche längs der Durchdringungslinie der beiden Abzweigungsrohre a₂ und a_a verläuft. Die Rippen C₂ und C₃ dienen hauptsächlich zur Entlastung dieser Rippe. Zu Entlastungszwecken werden auch etwa gegenüberliegende Zwischenquerschnitte der Hauptrippe durch solche Querrippen verbunden.

Nach übereinstimmenden Ergebnissen von Rechnung und Versuch ergibt sich aber bei so ausgeführten Verzweigungsstücken eine sehr ungünstige Spannungsverteilung in den Rippen. Beispielsweise ergibt sich im Querschnitt A₀-B₀ der Hauptrippe C₁ wie auch in den Querschnitten C₀-D₀ der Querrippen c₂, c₃ ein hyperbolischer Spannungsverlauf gemäß den Kurven
und s₃, mit hohen Spannungsspitzen in den Punkten A₀ und C₀.. Auch längs der Durchdringungslinien und längs des äußeren Umfanges verlaufen die Spannungen in den Rippen sehr ungleichförmig.

Die ungünstige Spannungsverteilung ergibt sich aus der Biegebeanspruchung der Rippen und bewirkt, daß deren Baustoff sehr schlecht ausgenutzt ist. Dies führt zu einem großen Baustoffaufwand mit entsprechenden Kosten.

Zur Herabsetzung der Spannungen in solchen Verstärkungsrippen ist schon vorgeschlagen worden, Rippen längs der Durchdringungslinie der Verzweigungsrohre mit einer wulstförmigen Verdickung zu versehen. Auch bei einer solchen Ausführung wird indessen eine Biegebeanspruchung der Rippe nicht vermieden, und der Baustoff ist unvollkommen ausgenutzt. Auch haftet dieser Ausführung immer noch

Richtung Rohrverzweigungsstück
mit Verstärkungsrippe

Anmelder:
Escher Wyss G.m.b.H.,
Ravensburg (Württ.)

Beanspruchte Priorität: Schweiz vom 23. Februar 1955

Arnold Süss, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

der Nachteil an, daß infolge der großen Rippen die Breite des Stückes bedeutend größer wird als der größte Rohrdurchmesser. Dies ist auch dann noch der Fall, wenn gemäß einer weiteren bekannten Ausführung bei einer solchen Rippe im Bereich des Scheitels der Durchdringungslinie ein Teil der Rippenhöhe nach innen verlegt ist.

Eine wesentliche bessere Ausnutzung des Rippenbaustoffes ergibt sich bei anderen bekannten Bauarten, bei welchen in der Ebene der Durchdringungslinie der Verzweigungsrohre eine innerhalb des Rohrverzweigungsstückes liegende Verstärkungsrippe angeordnet wird. Diese bekannten Bauarten zeigen indessen Rippen, welche fast die ganze zwischen den beiden Ästen der Durchdringungslinie liegende Fläche belegen. Es hat sich aber gezeigt, daß eine solche Ausführung der Rippen sich nicht nur nachteilig bezüglich der Strömung bei allfälligem asymmetrischem Abfluß durch die beiden Rohrzweige auswirkt, sondern daß hierbei auch nicht die günstigste Form der Rippe bezüglich Festigkeit erreicht ist.

Durch die Erfindung wird nun bezweckt, die Baustoffausnutzung noch weiter zu verbessern. Bei einem durch inneren oder äußeren Überdruck beanspruchten Rohrverzweigungsstück, bei welchem die Erzeugenden der Verzweigungsrohre mindestens angenähert eine gemeinsame Kugelfläche berühren und welches in der Ebene der Durchdringungslinie der Verzweigungsrohre eine Verstärkungsrippe aufweist, wird dieses Ziel erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Rippe in an sich bekannter Weise zum größeren Teil oder ganz innerhalb des Verzweigungsstückes liegt und daß die Schwerpunkte jener ebenen Querschnitte der Verstärkungsrippe, welche senkrecht zur Ebene der Durch-

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dringungslinie der Verzweigungsrohre und senkrecht zur Resultierenden der Kräfte stehen, die vom Rippeninfang bis zu diesem Querschnitt von den angrenzenden Verzweigungsrchren bei ungestörtem Membranspannungszustand auf die Rippe zur Übertragung geangen, in die Wirkungslinie dieser Resultierenden fallen und daß die Größe dieser Querschnitte proportional der jeweiligen Größe der Resultierenden ist.

Durch die Befolgung dieser Regel wird erreicht, daß lie Rippenquerschnitte praktisch frei von Biege" beanspruchung sind und daß längs der ganzen Rippe ;ine gleichmäßige Beanspruchung der Querschnitte luftritt. Dadurch ergibt sich gegenüber den bisher becannten Ausführungen eine Ersparnis an Rippenbau- ;toff. Die praktische Anwendung der Regel hat im ibrigen auch gezeigt, daß eine solche Rippe weniger ,veit ins Innere des Verzweigungsstückes hineinreicht ils die reinen Innenrippen der bisher bekannten Ausführungen und daher bei einem allfälligen ungleichen \bfluß durch die beiden Verzweigungsrohre die Strömung weniger zu behindern vermag.

Natürlich können unter Wahrung des Erfmdungs- ^edankens auch kleinere Abweichungen für die Lage Ier Querschnittsschwerpunkte und für die Querichnittsgröße zugelassen werden, bei welchen immer loch eine angenähert gleichmäßige und biegungsfreie 3eanspruchung der Rippe auftritt. Hierbei ist aber zu >eachten, daß beispielsweise schon infolge zusätzlicher Biegebeanspruchung die größte Spannung den doppelen Betrag der reinen Zugspannung erreichen kann, venn bei einem rechteckigen Querschnitt der Kraft-.ngriff um ein Sechstel der gesamten Querschnittsiöhe gegen den Schwerpunkt des Querschnittes veretzt ist.

Bei der Bestimmung der von den angrenzenden Verweigungsrohren auf die Rippe zur Übertragung geangenden Kräfte wird in den Verzweigungsrohren die Aufrechterhaltung des ungestörten Membranspanlungszustandes verausgesetzt, wie er sich im über die )urchdringungslinie hinaus sich erstreckenden Rohr iei dem herrschenden inneren oder äußeren Überdruck ■rgeben würde. Wie diese Kräfte ermittelt werden :önnen, ist beispielsweise in einem Aufsatz von I.Dumas, Bulletin Technique de la Suisse Romande, i5. Jahrgang (1939), S. 293 bis 297 und 305 bis 308, ieschrieben. Dort wird aber mit Hilfe dieser Kräfte [ie Beanspruchung einer von der Durchdringungslinie Ier Verzweigungsrohre nach außen gehenden Rippe erechnet. Demgegenüber wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Größe und Angriffslinie Ier Resultierenden der Kräfte, welche vom Rippen-.nfang bis zu dem in Betracht gezogenen Rippenquerchnitt wirken, zu bestimmen und den Rippenquerchnitt so zu legen, daß sein Schwerpunkt in diese Angriffslinie hineinfällt und demzufolge eine Biege- »eanspruchung der Rippe vermieden wird. Die Betimmung dieser Resultierenden kann hierbei nach den «kannten graphischen oder analytischen Methoden Ier Statik erfolgen.

In den weiteren Zeichnungen sind zwei Ausührungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes verinfacht dargestellt. Es zeigt

Fig. 4 einen axialen Längsschnitt in der Verweigungsebene durch eine erste Ausführungsform,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen axialen Längsschnitt in der Verweigungsebene durch eine weitere Ausführungsform ind

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII der •ig. 6.

Gemäß den Fig. 4 und 5 verzweigt sich ein zylindrisches Rohr 1 in zwei symmetrisch zueinander liegende konische Rohre 2 und 3. Die Erzeugenden der drei Rohre berühren eine gemeinsame Kugelfläche 4. Zwischen den Verzweigungsrohren 2 und 3 ergibt sich eine Durchdringungslinie 5, welche in der senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 4 stehenden Symmetrieebene liegt.

Wird angenommen, daß in den beiden Rohren 2 ίο •'tintl ⁱS "der ungestörte Membranspannungszustand auf' Techierhälten werden soll, wie er sich nach bekannten Formeln für durch Innen- oder Außendruck beanspruchte zylindrische oder konische Rohre berechnen läßt, so werden längs der Durchdringungslinie 5 Kräfte auf die Naht ausgeübt. Die senkrecht zur Schnittebene V-V stehenden Komponenten dieser Kräfte heben sich für die beiden Rohre 2 und 3 gegenseitig auf. Es verbleiben noch freie Kräfte, welche in der Ebene V-V, also in der Zeichenebene der Fig. 5 liegen, und von der an der Nahtstelle vorzusehenden Verstärkungsrippe aufzunehmen sind.

In Fig. 5 sind Punkte a, b, c, d der oberen Hälfte der Durchdringungslinie 5 besonders hervorgehoben. a ist deren Beginn und d deren Mitte. b und c sind Zwischenpunkte.

Berechnet man die Resultierende aller vom Anfangspunkt a bis zu einem davon entfernten Punkt der Durchdringungslinie auf die Verzweigungsrippe zu übertragenden Kräfte nach Größe und Richtung, so erhält man für die Punkte b, c und d die in Fig. 5 als Vektoren eingezeichneten Kräfte P_B, P_c und Pq. b₁-b₂, c₁-c₂ und d₁-d₂ sind durch die Punkte b, c und d gezogene Linien, welche senkrecht zu den Wirkungslinien der Kräfte P_b bzw. P_c und P₀ stehen. Sie schneiden diese Wirkungslinien in den Punkten b₃, c_v d₃.

Verbindet man die Punkte a, b₃, c₃, d₃ und die symmetrisch dazu liegenden Punkte miteinander, so erhält man eine Kurve 6, welche nahezu in der Mitte zwischen der Durchdringungslinie 5 und dem Schnittkreis der von den Erzeugenden der Verzweigungsrohre berührten Kugelfläche 4 liegt.

Zur Aufnahme der erwähnten Kräfte ist nun eine in der Ebene der Durchdringungslinie 5 verlaufende Ver-Stärkungsrippe 7 vorgesehen, deren äußere Begrenzung auf einer die Punkte a, b_v c_v d₁ verbindenden Kurve 8 und deren innere Begrenzung auf einer die Punkte a, b₂, c₂, d₂ verbindenden Kurve 9 liegt. Die Rippe hat Rechteckquerschnitt, und die Punkte b₁, b₂, c_v c₂, d_v d₂ sind so gewählt, daß die Strecken b₁-b₂, c₁-c₂, d₁-d₂ durch die Punkte b₃ bzw. c₃, d₃ halbiert werden. Die Schwerpunkte der Querschnitte b₁-b₂, c₁-c₂ und d₁-d₂ fallen daher mit den Punkten b₃ bzw. c₃ und d₃ zusammen.

Die Verstärkungsrippe 7 weist die Eigenschaft auf, daß sie zum größeren Teil innerhalb des Rohrverzweigungsstückes zwischen der Durchdringungslinie 5 der Verzweigungsrohre 2 und 3 und der Berührungskugel 4 der Erzeugenden liegt. Im Bereiche des Scheitels d der DurchdringBngslinie befindet sich im vorliegenden Falle sogar der ganze Rippenquerschnitt im Inneren des Verzweigungsstückes. Außerdem fallen die Schwerpunkte jener ebenen Querschnitte, welche senkrecht zur Ebene der Durchdringungslinie 5 und senkrecht zur Resultierenden der Kräfte stehen, die vom Rippenanfang a bis zu diesem Querschnitt auf die Rippe übertragen werden, in die Wirkungslinie dieser Resultierenden. Um eine mög^-lichst gleichmäßige Beanspruchung der Rippe zu erhalten, ist ferner die Größe der einzelnen Querschnitte

Claims (5)

proportional der jeweiligen Größe der Resultierenden gewählt. Damit ergibt sich bei Verwendung eines Bleches konstanter Dicke als Verstärkungsrippe eine Proportionalität der Breite B1-B2, C1-C2 usw. der Querschnitt der Rippe zu den jeweiligen Resultierenden PB, Pc usw. Wenn das Strömungsmittel, vom Rohr 1 herkommend, sich gleichmäßig in die beiden Rohre 2 und 3 verteilt, ist kaum eine nennenswerte Störung der Strömung durch die Rippe 7 zu befürchten. Falls erforderlich, kann jedoch beispielsweise durch zusätzliche Leitbleche 10 eine sanftere Umlenkung der Strömung beim Übergang zwischen der Rippe und den Verzweigungsrohren erzielt werden. Will man ein allzustarkes Hineinragen der Ver-Stärkungsrippe ins Innere des Verzweigungsstückes vermeiden, so kann auch von der Rechteckform des Rigpenquerschnittes abgewichen werden, wie dies beispielsweise in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Hier ist längs der Durchdringungslinie 5 der Verzweigungsrohre 2 und 3 eine Verstärkungsrippe T vorgesehen, deren Querschnitte auf der Innenseite eine wulstförmige Verdickung 11 aufweisen. Die Außenbeiandung der Rippe fällt mit der Durchdringungslinie 5 zusammen, während die innere Berandung längs einer Kurve 9' verläuft. Die Kurve 6 verbindet wieder jene Punkte, in welchen die Kraftresultierenden jeweils die zu ihnen senkrecht stehenden Rippenquersclinitte schneiden, und es ist wiederum dafür gesorgt, dai die Schwerpunkte der Rippenquerschnitte auf der Kurve 6 oder zumindest nahe dabei liegen, SO' daß sie mindestens angenähert in die Wirkungslinie der Resultierenden fallen. Infolge der wulstförmigen Verdickung der Rippe verläuft aber nun deren innere Begrenzung 9' in nur geringer Entfernung von der Kurve 6. Die Rippe ragt somit nicht weit ins Innere des Rohrverzweigungsstückes hinein. Durch Führungs-Meche 10' wird auch hier wieder erforderlichenfalls für eine gute Führung des Strömungsmittels gesorgt. Der Querschnittsverlauf der Rippe wird Vorzugsweise so gewählt, daß die Zugspannung an jeder Stelle der Rippe gleich der größten Vergleichsspannung in der angrenzenden Rohrwand ist. Unter der größten Vergleichsspannung wird dabei jene einachsige Zugspannung verstanden, welche die gleiche Bruchgefahr ergibt wie der mehrachsige Spannungszustand in der angrenzenden Rohrwand. Legt man für die Beurteilung der Bruchgefahr die Gestaltänderungsarbeit zugrunde, so ergibt sich beispielsweise für einen zweiachsigen Spannungszustand mit den Zugspannungen S1 und S2 für die Vergleichsspannung sv bekanntlich die Formel Sv = -j- Sg — Si Sg . 55 Die dargestellten Ausführungsformen betreffen symmetrische Rohrverzweigungsstücke, sogenannte Hosenrohre. Die Erfindung läßt sich aber in analoger Weise auch auf Rohrverzweigungsstücke anwenden, bei welchen die Verzweigungsrohre verschiedene Größe haben und mit unterschiedlichen Winkeln an das Hauptrohr anschließen. Grundsätzlich lassen sich auch in den quer zum Hauptrohr verlaufenden Durchdringungslinien Verstärkungsrippen der beschriebenen Art anbringen. Im allgemeinen sind aber die Querrippen an sich schon weniger beansprucht als die Hauptverstärkungsrippe zwischen den Verzweigungsrohren. Anderseits verbietet sich auch oft an diesen Stellen mit Rücksicht auf' die Strömung eine Verlegung der Rippe auf die Innenseite. Patentansprüche:

1. Durch inneren oder äußeren Überdruck beanspruchtes Rohrverzweigungsstück, bei welchem die Erzeugenden der Verzweigungsrohre mindestens angenähert eine gemeinsame Kugelfläche berühren und welches in der Ebene der Durchdringungslinie der Verzweigungsrohre eine mindestens teilweise innerhalb des Rohrverzwefgungsstückes liegende Verstärkungsrippe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe in an sich bekannter Weise zum größeren Teil oder ganz innerhalb des Verzweigungsstückes liegt und die Schwerpunkte (B_s, C₃, D₃ . ..) jener ebenen Querschnitte (B₁-B₂, C₁-C₂, D₁-D₂...) der Verstärkungsrippe, welche senkrecht zur Ebene der Durchdringungslinie (5) der Verzweigungsrohre und senkrecht zur Resultierenden (P_B, P_c, P_d .. .) der Kräfte stehen, die vom Rippenanfang bis zu diesem Querschnitt von den angrenzenden Verzweigungsrohren (2, 3) bei ungestörtem Membranspannungszustand auf die Rippe zur Übertragung gelangen, in die Wirkungslinie dieser Resultierenden fallen und daß die Größe dieser Rippenquerschnitte proportional der jeweiligen Größe der Resultierenden ist.

2. Rohrverzweigungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsrippe in an sich bekannter Weise aus einem Blech (7) konstanter Dicke besteht.

3. Rohrverzweigungsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereiche des Scheitels (D) der Durchdringungslinie der Verzweigungsrohre der ganze Rippenquerschnitt nach innen verlegt ist.

4. Rohrverzweigungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsrippe (7') auf der Innenseite eine an sich bekannte wulstförmige Verdickung (11) aufweist.

5. Rohrverzweigungsstück nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannung an jeder Stelle der Rippe gleich der größten Vergleichsspannung in der angrenzenden Rohrwand ist.

In Betracht gezogene Druckschriften : Deutsche Patentschrift Nr. 914 332; USA.-Patentschrift Nr. 1378 054; deutsche Patentanmeldung M 19033 XII/47 f (be- -nntgemacht am 24. 12. 1953).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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