Untersuchungen zum Tragverhalten sattelgelagerter Zylinderschalen bei horizontaler seitwärts gerichteter Belastung

Baues, Stefan Heinz; Güldenpfennig, Jürgen

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-18012

Untersuchungen zum Tragverhalten sattelgelagerter Zylinderschalen bei horizontaler seitwärts gerichteter Belastung = Research of the carrying behaviour of saddle supported cylindrical shells under horizontal transverse load

Baues, Stefan Heinz (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Heinz Baues

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang237 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Güldenpfennig, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-09-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18012
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62294/files/Baues_Stefan.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Mechanik und Baukonstruktion (311410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Zylinderschale (frei) ; Sattellager (frei) ; Horizontalbelastung (frei) ; cylindrical shell (frei) ; saddle support (frei) ; transverse load (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der Industrie ist der Einsatz von flüssigen und gasförmigen Gefahrstoffen weit verbreitet. Neben stehenden zylindrischen Flüssigkeitstanks werden für gasförmige Stoffe und den Transport von Gütern im Allgemeinen liegende Zylindertanks auf Sattellagern eingesetzt. Die Lagerung und der Transport der Gefahrstoffe stellen ein enormes Risikopotential für Mensch und Umwelt dar. Zur Minimierung dieses Risikos stellt der Gesetzgeber zahlreiche Anforderungen an den Betrieb und die technische Auslegung solcher Behälter. Insbesondere für die technische Auslegung ist die Kenntnis des Tragverhaltens unter Berücksichtigung aller für die vorhergesehene Nutzung auftretenden Belastungen von Bedeutung. Dies sind neben Lasten aus Betriebsdruck und vertikaler Belastung auch Horizontallasten. So fordert beispielsweise die „Verordnung über die innerstaatliche und grenzüberschreitende Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße und mit Eisenbahnen“, kurz GGVSE, unter Berufung auf die „Anlagen A und B des Europäischen Übereinkommens vom 30. September 1957 über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“, kurz ADR, den getrennten Nachweis des Behälters unter Ansatz der 1-fachen seitwärts gerichteten Gewichtskraft. Während für den vertikalen Lastfall sowohl statische als auch dynamische Untersuchungen zu den heute gültigen, praxisnahen Konstruktions- und Bemessungshilfen wie den AD-Merkblättern und dem British Standard 5500 führten, liegen derartige Untersuchungen und Bemessungshilfen für den Fall der horizontal seitwärts gerichteten Belastung nicht vor. Die Arbeit soll dieses Defizit beseitigen helfen und damit eine abschließende Beurteilung des Tragverhaltens unter Berücksichtigung der horizontal seitwärts gerichteten Belastung sowohl in statischer als auch in dynamischer Hinsicht ermöglichen. Die Entwicklung von Konstruktions- und Bemessungshilfen soll die Beurteilung des Tragverhaltens erleichtern. Dazu wird die Arbeit in zwei Teile gegliedert; einem ersten Teil, welcher sich mit dem Beanspruchungszustand der Schale bei dynamischer seitwärts gerichteter Lasteinwirkung beschäftigt und einem zweiten Teil, welcher die Erkenntnisse aus den dynamischen Untersuchungen in weitergehende statische Betrachtungen einfließen lässt. Im ersten Teil werden dynamische Versuche an einem sattelgelagerten zylindrischen Behälter durchgeführt. Der Behälter wird dazu auf zwei Betonsätteln gelagert und diese mit einer Unterkonstruktion aus doppelsymmetrischen Stahlprofilen quer zur Längsachse in Schwingung versetzt. Bei Variation der Füllgrade (Füllgut: Wasser), der Bodenabstände und der Anregungsfrequenzen werden jeweils die Behälterdehnungen in Längs- und Umfangsrichtung, die Beschleunigungen sowie die Auflagerpressungsverteilung entlang des Sattels gemessen. Die Ergebnisse der Versuchsreihen dienen als Referenzwerte einer Finiten Elemente Modellbildung des Behälters zur Abbildung der Versuche. Von besonderem Interesse ist hier der Belastungsansatz auf die Behälterwandung infolge des dynamisch angeregten Fluids. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Berechnungsergebnissen am FEM-Modell dient der Bestätigung des gewählten Belastungsmodells. Dieses bildet die Grundlage der weitergehenden statischen Betrachtungen im zweiten Teil der Arbeit. Der zweite Teil der Arbeit hat das Ziel, praxisorientierte Berechnungsformeln zu entwickeln, die es dem Ingenieur bereits im Entwurfstadium ermöglichen sollen auch den Fall der sattelgelagerten Zylinderschale bei horizontal seitwärts gerichteter statischer Belastung zu berücksichtigen. Dazu werden zweierlei prinzipiell unterschiedliche Berechnungsverfahren hinsichtlich ihrer Eignung für eine Parameterstudie des vorliegenden Systems gegenübergestellt. Diese sind zum einen die Berechnung mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) und zum anderen die Berechnung auf Grundlage eines analytischen Berechnungsverfahrens, welches, basierend auf der „Verallgemeinerten Technischen Biegetheorie“ (VTB), für die vorliegende Beanspruchung eigenständig weiterentwickelt wurde. Beide Berechnungsmethoden zeigen, dass die Spitzenspannungen am Sattelhorn rasch die theoretische Fließspannungen überschreiten. Daher werden vor Durchführung der Parameterstudie exemplarisch elastisch-plastische Berechnungen auf der Grundlage des van Mises’schen Vergleichsspannungskriteriums angestellt. Es folgt eine Parameterstudie in deren Rahmen der Behälterradius, die Behälterdicke, der Sattelöffnungswinkel, die Behälterlänge, der Bodenabstand und die Sattelsteifigkeit variiert werden. Die Auswertung der Berechnungsergebnisse liefert unter Berücksichtigung des elastisch-plastischen Tragverhaltens eine zur Handrechnung geeignete Berechnungsformel für die Vordimensionierung der Zylinderschalen bei horizontal seitwärts gerichteter Belastung. Diese können dem planenden Ingenieur in Zukunft dazu dienen den horizontal seitwärts gerichteten Belastungsfall bereits im Entwurfsstadium angemessen berücksichtigen zu können. Die Untersuchung praxisorientierter Fragestellungen hinsichtlich der Größe der tatsächlich bilden den Abschluss der Arbeit.

In industry the employment of fluid and gaseous goods is widely spread. Besides standing cylindrical fluid tanks for gaseous materials saddle supported cylindrical tanks are used for the transport of goods in general. The storage and the transport of dangerous goods represent an enormous risk potential for humans and environment. To minimize this risk the legislator makes numerous demands on the operation and the technical design of such tanks. In particular the knowledge of the carrying behaviour for all foreseen arising loads is important for the technical design. These are beside loads from operating pressure and vertical load also horizontal loads. Thus the "Verordnung über die innerstaatliche und grenzüberschreitende Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße und mit Eisenbahnen", briefly GGVSE, with reference to "Anlagen A and B des Europäischen vom 30.September 1957 über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße", briefly ADR, demands the separate proof of stability for tanks under a horizontal transverse force amounting to the gravityload. Whereas for the vertical load case both static and dynamic investigations lead to the today valid practical design aids and calculation formulas published in the "AD-Merkblätter" and the "British standard 5500", such investigations and design aids are not present for the case of the horizontal transverse load. This dissertation helps to eliminate this deficit and thus to enable a final estimation of the carrying behaviour under consideration of the static and dynamic horizontal transverse load. The development of calculation formulas and design aids should help to estimate the carrying behaviour. Therefore the dissertation is arranged into two parts; a first part, which deals with the stress in the shell under the dynamic horizontal transverse load and a second part, which deals with static calculation and takes the results of the dynamic research into account. In the first part dynamic experiments on a saddle supported cylindrical tank are made. Therefore the tank is stored on two concrete saddles. The saddles are fixed with a sub-construction of doublesymmetrical steel girders. This construction is oscillated in transverse direction. The charge of the tank (charge: water), the distance to the head stiffeners to the saddles and the frequencies are varied. In each experiment the circumferential and logitudinal strains, the accelerations and the contact pressure distribution between the shell and the saddle are measured. The results of the test series serve as reference for a finite element modelling. In this finite element model (fem) the load distribution on the cylindrical wall due to the dynamic horizontal load is of substantial interest. The comparison of the stresses measured in the experiment with the computation results based on a timedepent load distribution, serves as acknowledgement of the chosen load distribution. This load distribution is the basis for static calculation in the second part of the work. The second part of the work has the intention of developing practice-oriented calculation formulas which enables the engineer already in the pre-dimensioning stage of saddle supported tanks to take the horizontal transverse load, like demanded in the ADR, into account. In addition two different computation methods are analyzed with regard to their suitability for a parameter study of the analyzed system. These are on the one hand the computation with the help of the finite elements method (fem) and on the other hand the computation on basis of an analytic computation method, which is self-depent developed further for the analyzed case. The analytic method is based on the generalised technical bending theory. Both the fem and the analytic method lead to the result that the peak stress at the saddle horn rapidly reaches the theoretical yield stress. Before making the parameter study to develop practice-oriented calculation formulas some calculation based on an elastic-plastic material behaviour are made. Therefore the van Mises’ equivalent stress criterion model is used. A parameter study follows in which the radius, the shell thickness, the contact angle between the saddle and shell, the length, the distance of the head stiffener to the saddle and the saddle rigidity are varied. The evaluation of the computation results supplies calculation formulas suitable for the hand calculation under consideration of the elastic-plastic carrying behaviour in the pre-dimensioning stage of saddle-supported cylindrical shells under horizontal transverse load. This enables the planning engineer in the future to consider the horizontal transverse load appropriately even in the pre-dimensioning stage. The research of practice-oriented questions regarding the magnitude of transverse accelerations affecting the tank, the constructional design of the saddles and the ratio of the maximum stress due to vertical load to the stress due to horizontal load finally completes the dissertation.

OpenAccess:
PDF
(additional files)