DE2220910A1

DE2220910A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von boegen aus rohren oder hohlkoerpern im warmbiegeverfahren

Info

Publication number: DE2220910A1
Application number: DE19722220910
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl-Ing Kloska; Rolf Dr-Ing Noack; Joachim Schuster
Original assignee: Deutsche Babcock and Wilcox AG
Current assignee: Deutsche Babcock and Wilcox AG
Priority date: 1972-04-28
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1973-12-20
Also published as: NL7211266A; GB1387343A; FR2181642A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung γοη Bögen aus Rohren oder Hohlkörpern im Warmbiegeverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung τοη Bögen aus Rohren durch Biegen mit Erwärmung des Rohres im wesentlichen ohne Füllung des Rohres oder Stützung der Biegestelle durch einen Innendorn.

Es ist bekannt, Rohre auf Maschinen unter Erwärmung dadurch zu biegen, daß nur eine Ringzone auf Warmformgebungstemperatur gebracht und sowohl abschnittsweise als auch kontinuierlicn das Rohr verformt wird, wobei durch Abkühlung der Umgebung der Biegezone erreicht wird, daß an der Biegestelle durch die sogenannte Stützwirkung der kühleren, nicht verformbaren Umgebung eine Ovalität des Rohrbogens verhindert wird. Dafür dürfen nach den bestehenden Vorschriften bestimmte Werte nicht überschritten werden, die beim Biegen kleiner Verhältnisse von' Biegeradius zum Außendurchmesser des zu biegenden Rohres nach früheren Verfahren nicht erzielbar sind, so daß es zur Entwicklung sowohl des "Hamburger" als auch der "Induktiv-Rohrbiegeverfahren" kam. Auf dem gleichen Prinzip arbeiten auch die Verfahren mit Gasringbrennern oder Kammeröfen, die nur eine Zone erwärmen. Bei Anwendung dieser Verfahren zeigte es sich " jedoch, daß infolge von Dehnungabehinderungen am Außenbogen Schädigungen des Rohrwerkstoffes auftreten. Andere Verfahren haben diesen Mangel dadurch zu verhindern versucht, daß gegen den Vorschub des Rohres beim kontinuierlichen Biegen ein Stauch-

3Ο9βΙΐ/θ841

druck aufgebracht wird. Dieses Prinzip ist bisher jedoch nur für Rohre bis 460 mm Durchmesser angewendet worden, da sonst Maschinenabmessungen entstehen, die wirtschaftlich nicht vertretbar sind.

Darüber hinaus sind bei den beschriebenen Maschinen auch Stützwerkzeuge, insbesondere bei Bögen über 90° erforderlich, die das Verfahren unwirtschaftlich werden lassen. Besonders bei Hochdruck- und -heißdampfleitungen in der chemischen Industrie und bei Großkraftwerken, auch mit nuklearen Brennstoffen, sind Leitungen großen Innendurchmessers bei großen Wanddicken erforderlich. Diese überschreiten einen Grenzwert yon 460 mm erheblich und erreichen heute bereits eine Größe τοη 1000 mm Lichtweite bei einem Verhältnis R/d von 1,5 und d/s » 10, wobei d den Rohrdurchmesser und s die Rohrwanddicke bedeuten. Wegen des hohen Materialwertes sind hier Uberdimensionierungen ein so wesentlicher Kostenfaktor und Anlagen für die Herstellung τοη Hamburger Bögen nicht vorhanden, so daß Preßteile durch teure Schweißverbindungen zusammengesetzt werden müssen, um .die erforderlichen Rohrbogen herzustellen.

Bei allen bekannten Verfahren zur Herstellung von Rohrbogen sind die erforderlichen Verdickungen und zulässigen Verdünnungen der Bohrwand τοη den Überwachungsbehörden genau Torgeschrieben. Nach diesen beträgt die erforderliche Verdickun| des Innenbogens

4* -2

f i

- 3 -309851/0541

und die zulässige Verdünnung des Außenbogens

4j -1

_: = f a

4 ? + 2
d

wobei f a und f i die Faktoren sind, mit denen die Wanddicke des anschließenden Rohres multipliziert wird» f i ist immer größer, f a immer kleiner als 1. R/d ist in den Formeln das Verhältnis τοη Biegeradius zum Außendurchmesser des zu biegenden Rohres. Mit kleiner werdendem Verhältnis τοη R zu d wird f i größer und f a kleiner.

Diese Formeln der Membrantheorie führen dazu, daß an Stellen τοη Rohrbogen Tiel dickere Rohre zu deren Herstellung eingesetzt werden müssen und daß zusätzliche Schweißnähte und/oder ein erheblicher Mehrrerbrauch an Werkstoff erforderlich werden. So werden beispielsweise nach dem Hamburger-Rohrbogen-Verfahren hergestellte Rohrbögen, bei denen bekanntlich bei kreisrunden Querschnitt auch eine auf dem Umfang Töllig gleich-· mäßige Wanddicke entsteht, um so Tiel Werkstoff mehr Terbrauchen, als die Torgeschriebene Verdickung des Innenbogens erfordert. Dies ist nach einem häufig Torkoinenden Verhältnis τοη R/d -1,5 nach der obengenannten lOrael ein Mehrbedarf τοη 25 ^, der auch im Außenbogen Torhanden ist, der trotzdem nach der zweiten genannten Formel um 12,5 1* dünner sein dürfte.

Dies ergibt besonders bei dickwandigen Rohren großen Durch-■•ssers und kleinen Biegeradien einen großen Mehrrerbrauch,

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verbunden mit hohen Kosten bei teuren Werkstoffen, wie sie in Heißdampfleitungen τοη Kraftwerken mit fossilen und Kernbrennstoffen großer Leistungen oder in der chemischen Industrie bei Verwendung hochlegierter Edelstahle erforderlich sind. Im obigen Beispiel ist bei Hamburger Rohrbogen der Mehrverbrauch an Werkstoff 15,5 ^, wenn ein übliches Verhältnis τοη d/s = 10 angenommen wird. Hinzu kommt, daß die Verbindung von überdimensionierten Bögen dieser Art mit dem anschließenden Rohr spannungsmäßig ungünstig, ein entsprechender Übergang durch mechanische Bearbeitung teuer und schwierig sowie eine Schweißverbindung auch unschön ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Anwärmverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, eine maschinelle Herstellung von Rohrbogen großer Durchmesser vorzunehmen und einen gesteuerten Wanddickenverlauf entsprechend den Vorschriften zu gewährleisten.

Da beim Biegen normalerweise von einem konzentrischen Rohr ausgegangen wird, schließen sich die Forderungen der Formeln für zulässige Verdünnung und geforderte Verdickung in Außenbzw. Innenbogen aus. Die Erfüllung der Forderung, den Außenbogen nicht unzulässig zu verdünnen, führt zwangsläufig zu einer wesentlich höheren Yerdickung des Innenbogens als gefordert. Daraus folgt wiederum ein erhöhter Kraftbedarf für die Stauchung des vergrößerten Querschnitts, der erfindungsgemäß durch weitestgehende Verminderung des Verformungswiderstandes begrenzt wird. Sin Rohrbogen, der genau den Formeln der Membrantheorie entspricht, kann nach dem Verfahren und mit den Vorrichtungen der Erfindung hergestellt werden, wenn hierfür ein exzentrisches Rohr eingesetzt wird, dessen Exzen-

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trizität dem Verhältnis E/d de« Bogens entsprechend unterschiedlich ist. Gegen dieses Vorgehen spricht aber die Notwendigkeit, den Bogen an ein konzentrisches Rohr anzuschließen, was zu gleichen Problemen wie beim zu dicken Hamburger Bohrbogen führt und zusätzliche Schweißnähte erforderlich macht. Es wird daher bewußt ein Mehrverbrauch an Rohrwerkstoff in Kauf genommen, um den Vorteil zu behalten, ein ganzes Rohrleitungsstück - auch mit Raumbögen - fortlaufend biegen zu können. Sollen in ein Rohr mehrere Bögen gebracht werden, die alle in einer Ebene liegen, so ist die dünnste Rohrwand in den Innenbogen zu legen, da nahtlose Rohre im allgemeinen nicht völlig konzentrisch sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig bei dem Verfahren zur maschinellen Herstellung von Rohrbogen dadurch gelöst, daß etwa drei Viertel des Umfanges des zu biegenden Rohres auf Schmiedeteaperatur des Rohrwerkstoffes erhitzt-werden, während das restliche, den zukünftigen äußeren Außenbogen bildende Viertel unterhalb der Umwandlungstemperatur gehalten wird.

Nach einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird der Inne^ibogen auf Temperatüren von 800 bis 1200⁰C erwärmt, wan- rend das Außenviertel bei oder unter Temperaturen von 700° gehalten wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein kontinuierlicher Übergang der Temperaturen vom innersten Teil des Innenbogens zum äußersten Teil des Außenbogens sichergestellt, also beispielsweise τοη 1100⁰C auf 65O⁰C derart, daß im Außenbogen-Viertel der Mittelwert 65O⁰C beträgt, während 1100⁰C für den Innenbogen den Höchstwert darstellen.

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Erfindungsgemäß erfolgt die Erwärmung durch Induktoren und/ oder Brenner, die außen oder innen angebracht werden und nacheinander entsprechend der gemessenen Vorwärmtemperatür geschaltet werden. Mit dem Biegen wird er3t begonnen, wenn der Vorwärmzustand an allen Stellen abgeschlossen ist.

Nach der Lehre zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zweckmäßig, yor der Biege3telle ein oder mehrere Vorwärm-Induktoren oder -brenner anzuordnen, um an der Biegestelle innerhalb kurzer Zeit die erforderliche Temperatur zu erreichen. Es muß allerdings sichergestellt werden, daß die Temperaturen hinsichtlich des Werkstoffes und gegeneinander im Einklang stehen.

Es hat sich als sehr Torteilhaft gezeigt, die Verstärkung der induktiven Leistung und des Feldes durch Anbringen von Jochblechen auf dem Innenbogen vorzunehmen. Dabei trägt der den Außenbogen umschließende Teil keine Joqhbleche. Die gleiche Wirkung ist erfindungsgemäß dadurch zu erzielen, daß der den Außenbogen umschließende Teil des Induktors einen größeren Abstand τοη der Rohroberfläche als ai Innenbogen aufweist.

lach einer weiteren Alternative der Erfindung werden die Vorwärm-Induktoren mit zunehmender Entfernung von der Biegeatel-Ie in geringer werdendem Maße symmetrisch iur Biegetbene mit ftldverstärkenden Joohbltchen belegt.

Hach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung findet ein Induktor für Flächenerwärmung Anwendung, der in ungleicher, zur Biegeebene symmetrischer Anordnung unterschiedliche Längsab-

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schnitte des Bohres Torwärmt und an der Innenseite Jochbleche trägt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, mindestens zwei Induktoren für unterschiedliche Frequenz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzubauen.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird ein das Rohr in mehreren schraubenförmigen Windungen umschlingender Induktor verwendet, der auf der Bogeninnenseite symmetrisch zur Biegeebene feldyerstärkende Jochbleche aufweist, die an der Biegesteile das Rohr etwa zur Hälfte umfassen und die in Richtung auf den Vorschub auf stetig in Umfangsrichtung kürzeren Strecken angeordnet sind.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß nur ein Biegemoment an der Biegestelle aufgebracht wird, wobei ein in der Biegezone unterschiedliches Temperaturfeld entsteht, das so ge- '· schaltet ist, daß im Innenbogen zum Zwicke der Stauchung eine Zone hoher Temperatur erzeugt wird, und daß im Außenbogen die Temperatur so niedrig bleibt, daß diese sich nur im Torgegebenen Maße geringfügig oder gar nicht'dehnt und mit diesen zur Dehnung biw. Spannungserseugung erforderlichen Kräften die Stauchung der Bogeninnenseite ermöglicht. Dadurch wird τβmieden, ton außen her Kräfte auf das Rohr wirken zu lassen, wie es bei den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen erforderlich war. Bei des erfindüngsgeMäßen Verfahren wird das Material geschont, weil nur auf tinem so großen Teil der Querschnittsfläche des Rohres des späteren Innenbogens eine hohe Temperatur aufgebracht wird und auf einem daeu im entsprechenden Verhältnis der Verformung^- · widerstände anderen Teil des späteren AuSenbogens das' Material relativ so kühl gelassen wird, daß sich Dehnung und

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Stauchung beim Biegen im vorgeschriebenen Verhältnis zueinander befinden und eine Überbeanspruchung des Materials auf alle Fälle vermieden wird. Mathematisch exakt können diese Beziehungen wie folgt ausgedrückt werden:

To

6wi

2. Af

wi

Γ · r.·^

T₁

Darin ists

Mb das erforderliche Biegemoment

ein Flächenelement des zu stauchenden

Bogenteils,

ein Flächenelement des unter Zugspannung

stehenden ggf. gedehnten Bogenteils,

und 6wa J die Verformungswiderstandswerte

^Ta

des jeweiligen Flächenelementes, die sich

je nach, im Element herrschender Temperatur

- also im Bereich T bis T-, - einstellen,

ab

r.. und r die Entfernung des Flächenelementes von der Biegeachse.

Da sich die Verformungswiderstände auch mit der Verformungsgeschwindigkeit ändern, kann abhängig von der eingebrachten Wärmeleistung die Biegeleistung, also auch die Biegegeschwindigkeit berechnet werden.

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Die Erzeugung eines Temperaiurgradienten, der von hohen Werten, im Inneren des Bogens zu niedrigen im sukünftigen Außenbogen fallen soll, ist (z.B. durch einen einseitig mit Jochblechen bestückten Induktor) dadurch möglich, daß Maanahnr-n zur Erhöhung der induktiven Leistung an den stärker au erwärmenden Stellen und entgegengesetzte an den Stellen niedriger Temperatur ergriffen werden.

Die induktive Erwärmung erioigt je nach der gewählten Frequenz in einer bestimmten Tiefe in der Rohrwand, die Wärs-n wird von dort durch Wärmeleitung weitertransportiert. Er^ kann auch nur eine bestimmte Leistung je Flächeneinheit eingebracht werden. Die Erfindung schlagt desnalb vor, vornehmlich bei großen Wanddicken und/oder großer Biegeg^sf.hwindlgkeit insbesondere die auf hohe Temperatur zu bringende Innenbogenzone vor der Biegestelle vorzuwärmen, da auch difc Charakteristik der induktiven Erwärmung sich mit der Temperatur ändert. Diese-Vorwärmung kann ebenfalls durch einen oder mehrere Induktoren erfolgen, wobei beispielsweise der Induktor an der Biegestelle etwa auf halbem Rohrumfang mit Jochblechen belegt ist, während der ihm vorgeschaltete Vorwärme induktor beispielsweise nur zu 1/3, der vor diesem liegende z. B. nur zu 1/4 des Rohrumfangs symmetrisch zum Innenbogen mit Jochblechen versehen ist. Die Vorwärmung kann bei fehlender elektrischer Leistung auch mit Gasbrennern erfolgen. Die Verwendung von Gasbrennern ist besonders dann angebracht, wenn auch von der RohrInnenseite her angewärmt werden soll, um in der Biegezone bei großer Wanddicke und/oder großer Biegegeschwindigkeit eine möglichst gleichmäßige Temperatur über die Wanddicke zu erzielen. Weiter können auch Induktoren zur flächigen Erwärmung verwendet werden, wie sie in Skizze 2) dar-

- 10 309851/0541

BAD ORK3WAJL

gestellt 3ind, die wiederum in aer innersten Zone mit Jochblechen bestückt sind.

Bei Verwendung mehrerer Induktoren ist dann eine tesondere Schaltung für den Anfahrrorgang er:orderlich, -lie ^b^niaVis Gegenstand der Erfindung ist. Sie besteht darin, das kalte Rohr mit dem Induktor an der Biegestelle bei ausgeschalteten Vorwärmeinduktoren beispielsweise bis auf 500 G vorzuwärmen, dann den ersten Vorwärminduktor zuzuschalten und an beiden Stellen um 300 höher zu wärmen, die Biegestelle also ZoB. bis 800⁰C, Vorwärmestelle bis 300⁰C₁ worauf der dritte - im Beispiel letzte - Induktor zugeschaltet wird und mit dem Biegen dann begonnen wird, wenn an der Biegesieile z.B. 1050 C, an der ihr nähest9η Vorwärmestelle 2.B. 600"C erreicht sind. In gleicher Weise kann auch mit einfi oder mehreren Gasbrennern außerhalb und innerhalb des Rohres verfahren werden. Um eine gleichmäßige tiefgehende Durchwärmung zu erreichen, kann man nach Erreichen des Curiepunktes im Werkstoff einen Induktor Terwenden, der mit geringer Frequenz gespeist wird, weil dadurch die Wirkung der induktiven Erwärmung in eine tiefere Zone der Rohrwand verlegt wird.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung · dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es eeigen;

Fig. 1 eine Ansicht einer Vorrichtung mit Vorwärminduktoren unterschiedlicher Jochbelegungen und unterschiedlicher Frequenz, und

Fig. 2 eine Vorrichtung mit einem Induktor an der Biegestelle

BAD ORIGINAL

t I

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mit Jochen auf der Bogen!nnen?eite und einem Flächen» Yorwärminduktor.

Entsprechend der Darstellung in Fig. i sind auf dem zu biegenden Rohr 1 Induktoren 'mit unterschiedlichen Jochbelegungen und unterschiedlicher Frequenz angebracht. In der Yorwärmsone liegen die Joche 2 nur auf einem Viertel des Uiafanges, während die der Biegestelie näher liegenden Teile des Rohres etwa zu einem Drittel mit Jochen 3 und an der nächstgelegenen Stelle zur Hälfte mit Jochen 4 belegt sind. Auch die sugeführte Frequenz über die Leitungen 5 mit 1000 Hs kann gegenüber der Leitung 6 mit 600 Hc unterschiedlich sein. Es ist ersichtlich, daß die Biegung des Rohres aus der Zeichnungsebene auf den Betrachter zu erfolgt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird ein Flächeninduktor 7 angewandt, der in der Mittelzone größer als in den Außenzonen 8 ist. Im Innenbogen sind anschließend wieder Jochbleche 4 angebracht.

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SAD ORK3WAL

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Bögen aus Rohron od^r Hohi körpern im Warmb Ie ge verfahr en, dad area g -. k r- η r. zeichnet , daß ein Teil (z.B. drei Viertel) des Umfanges des zu biegenden Rohres auf Schmiede temperatur des Rohrwerkstofies erhitzt wird, während der restliche, den zukünftigen äußeren Außenbogen bildende Teil (z.B. ein Viertel) unterhalb der Umwandlungstemperatur gehalten wird.

2. Verfahren nach Ansppieh 1, daduron g y kenn -

zeichnet , aaii der Innenbogen z„B* bei Stahl über 850° bis 1200° erwärmt w.l:
unter dieser Temperatur liegt.

über 850° bis 1200 erwärmt wird und der Außencogen

3. Verfahren nach Ansprach 1 und/oäer 2, dadurch g ·* kennzeichnet, daß im Außenbogen der Temperatur-Mittelwert 65O⁰C beträgt, während ViOO⁰C iür den Innenbogen den Höchstwert darstellen (bei Stahl).

4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeicjine t , daß die Erwärmung durch einen Induktor erfolgt, bei dem zur Verstärkung des Feldes und der induktiven Leistung nur auf der Innenseite des Rohrbogens Jochbleche angebracht sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekenn sei chnet , daß die Erwärmung

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durch Induktoren oder/und Brenner erfolgt, die nacheinander entsprechend der gemessenen Vorwärmtemperatur geschaltet werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Biegestelle ein oder mehrere Vorwärm-Induktoren oder -brenner angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkung der induktiven Leistung und des Feldes durch Anbringen von Jochblechen auf dem Innenbogen erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der den Außenbogen umschließende Teil keine Jochbleche trägt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß der den Außenbogen umschließende Teil des Induktors einen größeren Abstand von der Rohroberfläche als am Innenbogen aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärm-Induktoren mit zunehmender Entfernung von der Biegestelle in geringer werdendem Maße symmetrisch zur Biegeebene mit feldyerstärkenden Jochblechen belegt sind,-

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11. Vorrichtung nach Anspruch. 5 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichne t , daß die Vorwärm-Induktoren oder -brenner im Inneren dos su biegenden Rohres angebracht sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Induktor für Flächenerwärmung Anwendung findet, der in ungleicher zur Biegeebene symmetrischer Anordnung unterschiedliche Längsabschnitte des Rohres vorwärmt und an der Innenseite Jochbleche trägt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Induktoren für unterschiedliche Frequenz Anwendung finden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Rohr in mehreren schraubenförmigen Windungen umschlingender Induktor Anwendung findet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Induktor auf der Bogeninnenseite symmetrisch zur Biegeebene feldrerstärkende Jochbleche besitzt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochbleche das Rohr an der Biegestelle etwa zur Hälfte umfassen.

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17. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurcn gekennzeichnet, daß die Jochbleche in Richtung gegen den Vorschub auf stetig in Umfangsrichtung kürzeren Strecken angeordnet sind.

18. Rohrbogen, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurcn g e -." kennzeichnet , daß im Außenbogen höchstens eine Wandverdünnung nach der Formel

f a -

4 3 +2
d

und im Innenbogen mindestens eine Wandverdickung nach der Formel

fi

d
erfolgt.

4 ? -2

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