Thermoplastische Behälter richtig auslegen. Behälterberechnung: Effektiver mit Ingenieursoftware - prozesstechnik online

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Behälterberechnung: Effektiver mit Ingenieursoftware

Thermoplastische Behälter richtig auslegen

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Als die ersten vollthermoplastischen Behälter statisch dimensioniert wurden, beschränkte sich die Auslegung auf die Anwendung der Kesselformel. Doch diese reicht heute bei Weitem nicht mehr aus. Die Folge: Umfangreiche statische Berechnungen sind erforderlich, die sich nur noch mithilfe einer Ingenieursoftware erledigen lassen. Worauf hierbei zu achten ist, lesen Sie im Beitrag.

Für alle Behälterkonstruktionen, bei denen ein thermoplastischer Werkstoff (PE, PP oder auch PVC) als statisch tragendes Bauteil angesetzt wird, bildet die DVS-Richtline (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.) die erforderliche Rechtsgrundlage. Sie wird weltweit als aktueller Stand der Technik akzeptiert. Insbesondere in der DVS-Richtlinie 2205 (DVS-Taschenbuch, aktuelle Ausgabe 2016) wird explizit und detailliert auf die Berechnung von Behältern und Apparaten aus Thermoplasten eingegangen. Um die neuesten Erkenntnisse aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie der Material- und Normenentwicklung in das Regelwerk zu implementieren, wird kontinuierlich in den entsprechenden Arbeitskreisen des DVS über eventuelle Änderungen beraten. So konnte in den letzten Jahren für Rundbehälter mit Flachböden, Schrägböden sowie ringgestützte Kegelböden eine umfassende Reihe von Richtlinien verabschiedet werden.

Obgleich es sich bei den DVS-Richtlinien um den aktuellen Stand der Technik handelt, sind bei genauerer Betrachtung in der Praxis Überarbeitungspotenziale erkennbar. So wird derzeit die aktuelle Rechteckbehälterrichtlinie 2205-5 grundlegend überarbeitet. Dabei wird das Teilsicherheitskonzept aus der aktuellen Normengeneration (EC) konsequent umgesetzt. Weiterhin wird das gültige Formelwerk zur Schnittgrößen- und Verformungsberechnung an horizontal- sowie jochverstärkten Rechteckbehältern an das erhöhte Anforderungsprofil angepasst.
Für individuelle Anwendungsfälle wie beispielsweise einen Segmentboden (Bild 2) kann ein Regelwerk wie die DVS keinen konsistenten Berechnungsansatz liefern. Die erforderliche Spannungsermittlung kann hier nur nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) erfolgen. Aufgrund der komplexen Materialeigenschaften von thermoplastischen Werkstoffen (spannungsabhängiges, temperaturabhängiges und zeitabhängiges E-Modul) ist dabei jedoch eine sehr lange und zeitintensive Einarbeitungszeit des Konstrukteurs bzw. Ingenieurs erforderlich.
Software hilft bei der Auslegung
Die heutige Statik eines Behälters umfasst eine detaillierte Bauteileinzelbetrachtung. In Verbindung mit Lastfällen wie Füllung, Unter- und Überdruck, Verkehrslasten, Temperatur, Medieneinwirkung, Windlasten, Schneelasten oder Erdbebenlasten sind eine Vielzahl von Nachweisen erforderlich, die sich in einer umfangreichen statischen Berechnung widerspiegeln. Somit wird die Aufstellung einer prüffähigen Statik in einem wirtschaftlich angemessenen Zeitfenster nur mit einem speziellen Ingenieursoftwarepaket möglich.
Die Suche nach einem modernen Programm zur Berechnung von Behältern muss vor allem fünf Aspekte berücksichtigen: Projektverwaltung, Datenhaltung, Eingabe, Berechnung und Ausgabe. Grundlegende Fragen sind bei der Einführung einer Ingenieursoftwarelösung zu stellen: Ermöglicht die Software eine übersichtliche Projektverwaltung und Datenhaltung? Handelt es sich um einen stabilen Programmlauf? Ist es der aktuelle Stand der Technik? Sind alle üblichen Behältertypen berechenbar? Ist die Ausgabe für Dritte prüffähig? Ist das Programm netz- und cloudfähig?
Um die höchstmögliche Arbeitseffektivität zu ermöglichen, sind integrierte Zusatztools wie Finite-Elemente-Methode (FEM), CAD und Kalkulation sinnvolle Ergänzungen. Sie ermöglichen eine ganzheitliche Betrachtung des Konstruktionsablaufs. Wie ein modernes Softwarepaket für die Behälterbemessung aussehen kann, zeigt Bild 3.
Logisch und nachvollziehbar
Zentrale Schnittstelle des Gesamtpakets ist die Kernsoftware, in der die Verbindung zwischen den Modulen Expertensoftware, Rechenkern, Verwaltungssoftware und Ausgabe hergestellt wird. Im Hinblick auf die Kernsoftware hat sich das Schichtenmodell im Rahmen einer objektorientierten Programmierung bewährt. Es ermöglicht eine klare und sichere Trennung zwischen der Ein- und Ausgabe sowie den eigentlichen Daten. Eine Eingabeprüfung findet mithilfe einer Validierung und nicht mit einer Fehlermeldung statt. Die Eingabe für den Anwender ist intuitiv und logisch nachvollziehbar unter Berücksichtigung der auf den Behälter auswirkenden Lasten gestaltet. Eine anschließende Datenspeicherung als XML-Datenspeicherung (human readable) gewährleistet den Datenaustausch zwischen Behälter- und Fremdsoftware bzw. nahezu jedem beliebigen Rechenkern.
Eine Verwaltung, die lediglich Eingabe- und Ausgabedaten einer Stand-alone-Lösung berücksichtigt, kann dieser Anforderung nicht genügen. Es müssen vielmehr alle im Block „Verwaltungssoftware“ aufgeführten Verwaltungsaspekte zentral verwaltet und allen Projektbeteiligten zur Verfügung gestellt werden. Besondere Bedeutung besitzt dabei im Hinblick auf die Fehlervermeidung bei der Programmeingabe das Hinterlegen der Sicherheits- und A-Abminderungsfaktoren sowie der verschiedensten Werkstoffe, wie z. B. die gängigen Materialien PP-R, PP-H, PE-80, PE-100 sowie PE 100-RC. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang auch die Problematik des medienabhängigen Abminderungsfaktors A2. Die korrekte Vorgabe des durch den Anwender innerhalb der Berechnung zu spezifizierenden Wertes erweist sich immer wieder als problematisch. Abhilfe kann hier die Real-Time-Anbindung an eine zentral gehostete und kompetent gepflegte Datenbank wie Simona-Simchem schaffen. Jeder innerhalb einer Anfrage geklärte A2-Wert steht in Echtzeit allen Anwendern der Software zur Verfügung.
Die Hinterlegung aller wesentlichen Projektdokumente wie Zeichnungen, Ausschreibungen, Spezifikationen und Notizen der Projektbeteiligten ist neben den reinen Ein- und Ausgabedaten der Berechnungssoftware ein weiteres wesentliches Feature der Verwaltungssoftware. Die Ausgabe der Berechnung ist dabei für externe Prüfstatiker sowie Prüfbehörden nachvollziehbar und prüffähig zu gestalten. Dabei gelten einige Anforderungen (siehe Kasten).
Ausblick
Die Markt- und Wettbewerbssituation im Sonderbehälterbau wird sich auch in den kommenden Jahren weiter verschärfen. Dabei müssen bei wachsendem Termin- und Kostendruck immer mehr Aufträge in einem kürzeren Zeitfester abgewickelt werden. Diesem Widerspruch kann nur mit einem effizienten und flexiblen Konstruktionsablauf Rechnung getragen werden, Grundlage ist hier eine leistungsfähige Projekt- und Datenverwaltung. Darüber hinaus bilden ein ständiger Austausch zwischen Anwender und Softwarehersteller in Form von Programmschulungen und/oder Programmanpassungen Bausteine für eine solide Zusammenarbeit.

Anforderungen an die Ausgabe der Software

Behälterberechnung

  • Jede Berechnung muss in sich abgeschlossen sein.
  • Sie muss für die Weiterverwendung durch Dritte geeignet sein.
  • Sie muss vollständig und klar gegliedert sein.
  • Sie muss lesbar und prüfbar sein.
  • Sie muss kopier- bzw. scanfähig sein.
  • Die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit ist vollständig, übersichtlich und prüfbar für alle Bauteile und Verbindungen entsprechend der Aufgabenstellung nachzuweisen.
  • Sie muss alle notwendigen Angaben für die Anschlusskonstruktion und eine spezielle Anschlussstatik enthalten.
  • Ausdrucke EDV-unterstützter Berechnungen müssen vollständig, nachvollziehbar und reproduzierbar sein.

  • Michael Wille
    Statik/Konstruktion,Obmann der DVS AG W 4.3b Konstruktive Gestaltung – Apparatebau,
    Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung

    Dr.-Ing. Ingo Lukas
    Geschäftsführer,
    Mitglied der DVS AG W 4.3b
    Konstruktive Gestaltung – Apparatebau,
    LU-Engineering Software
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