Modellierung der Einwirkung auf ein Silo bei exzentrischer Entleerung

Cai, Ding

Silobauwerke weisen hohe Schadensraten auf. Besonders bei Silos mit exzentrisch angeordneter Auslauföffnung stellt die Bemessungssituation für die planenden Ingenieure immer noch eine Herausforderung dar. Das Ingenieurmodell nach Rotter für die Entleerung von Silos mit großen Exzentrizitäten, das in der aktuellen Norm Anwendung findet, wurde unter Anwendung der Scheibenelementmethode nach Janssen entwickelt. Der auf vereinfachten Annahmen beruhende Ansatz hat sich in der Ingenieurpraxis als unzulänglich erwiesen. Daher ist eine genaue Erfassung der unsymmetrischen Belastungen von Silokonstruktion für eine wirtschaftliche und sichere Auslegung von vitalem Interesse. Die Modellierung eines Schüttgutes gilt immer als große Herausforderung in der Numerik. Die Gründe dafür sind zum einen, dass mit einer großen Verformung zu rechnen ist, wenn das Schüttgut in Bewegung ist. Dies führt in der herkömmlichen FEM, basierend auf der Lagrangeschen Formulierung, zu Schwierigkeiten. Zum anderen ist die Beschreibung des nichtlinearen Materialverhaltens eines Schüttgutes sehr komplex. In dieser Arbeit werden mit Hilfe neuer numerischer Methoden die Entleerungsvorgänge in Silos simuliert, womit eine längere Entleerungszeit und somit der stationäre Zustand erreicht wird. Die Simulationsergebnisse stimmen sehr gut mit den Versuchsergebnissen überein. Dabei stehen die berechneten Wanddrücke in großem Kontrast zu den nach der Norm berechneten Werten. In DIN EN 1991-4 wird lediglich das Fließprofil eines Schlotflusses parallel zur Silowand berücksichtigt. Das numerisch ermittelte Fließprofil für Weizen zeigt ein gemischtes Fließen und für Sand einen inneren Schlotfluss, dessen Fließkanalgrenze sich bis zur Schüttgutoberfläche erstreckt. Dahingehend werden aktuell in der DIN EN 1991-4 keine Unterscheidungen gemacht und es bedarf damit einer Berücksichtigung. Stabilitätsuntersuchungen mit den simulierten Lasten und den Normlasten zeigen, dass die Tragfähigkeit von Silos bei exzentrischer Entleerung nach dem Normansatz deutlich unterschätzt wird. An einem Silo wird die Auswirkung des neuen Ansatzes auf die Bemessung untersucht, dabei zeigen die Berechnungen mit dem neuen Ansatz gegenüber dem Normansatz für die drei Beulsicherheitsnachweise eine wesentlich bessere Abbildung des realen Tragverhaltens auf. Des Weiteren kann ein Silo mit dem Ansatz aufgrund seiner einfachen Handhabung sowohl wirtschaftlich als auch sicher ausgelegt werden.

Silo structures tend to comprise high damage rates. Especially silos with an eccentrically arranged outlet still imply a major challenge for the planning engineers in the process of the design situation. The engineering model by Rotter for highly eccentric discharge, which is applicable within the current European Standard EN 1991-4 (2010), was developed using the slice element method of Janssen. However, the approach based on simplified assumptions turned out to be deficient in engineering practice. Thus, an accurate description of the asymmetric loads of silo constructions is of vital interest for a safe and economic design. The modelling of bulk material is always considered as a major challenge in numerical analysis.The reasons on the one hand are that there is likely to be a great distortion when the bulk material is in motion. This leads to difficulties within the conventional FEM based on the Lagrangian formulation. On the other hand, the specification of non-linear material behavior of bulk material is very complex.Within this thesis, the emptying processes are simulated with the help of new numerical methods, which consequently leads to a longer discharge process and a stationary state is therefore reached. The simulation results show good correlation to the test results. Hence, the calculated wall pressures are contrary to the calculated values considering the standard. DIN EN 1991-4 only considers the flow profile of a chimney flow parallel to the silo wall. The numerically determined flow profile for wheat shows a mixed flow and for sand an eccentric taper pipe flow, whose flow channel boundary ranges up to the bulk material surface. However, no distinctions are currently made within the DIN EN 1991-4, which requires further consideration. Stability investigations with the simulated loads and the standard loads implicate that the load capacity of silos under eccentric discharge according to the standard are being significantly underestimated, the calculations using the new approach compared to the standard approach considering the there design concepts for the verification of shell stability show a considerably improved reflection of the real structural behavior. Furthermore, due to its ease of use, this approach enables a safe and economic design of a silo.

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Cai, Ding: Modellierung der Einwirkung auf ein Silo bei exzentrischer Entleerung. 2019.

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