Behälter in Leichtbauweise

Die Autoren: Dr.-Ing. Ingo Kurzhöfer Leiter Teilbereich Numerische Simulation Institut für Statik, TÜV Rheinland LGA Bautechnik Marco Stallmann Produktmanager, BU Industry, Advertising & Structural Engineering, Simona

Neben der Konstruktion von Rundbehältern haben sich mittlerweile auch Rechteckbehälter mit zusätzlicher Stahlverstärkung etabliert. Die Stahlverstärkung ist nötig, um der kompletten Konstruktion die notwendige statische Standsicherheit zu geben. Gerade im Bereich des Lagerns, Abfüllens und Umschlagens von Chemikalien sind Kunststoffbehälter, z. B. aus Polyethylen oder Polypropylen, unverzichtbar geworden. Doch auch im Kunststoffbehälterbau geht der Trend zum Leichtbau. Einsparpotenziale durch Verbesserungen im Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht erschließen wichtige Wettbewerbsvorteile. Genau an diesem Punkt setzt Simona mit seiner Hohlkammerplatte an. Das Strukturleichtbauelement verfügt gegenüber einer handelsüblichen Massivplatte über ein um den Faktor 2 verbessertes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht. Darüber hinaus bieten die Hohlkammerplatten ausgezeichnete Schall- und Wärmeisolationswerte.

Die Hohlkammerplatte besteht aus zwei Deckschichtplatten und einer variablen Anzahl von Stegen zwischen diesen. Die Platte ist materialtechnisch durchweg homogen – es handelt sich um eine geschweißte Konstruktion aus Deckplatten und Stegen.

Diese Konstruktion, die theoretisch in einzelne I-Profile zerlegbar ist, besitzt eine wesentlich höhere Steifigkeit gegenüber dem Vollmaterial. Das Flächenträgheitsmoment der Hohlkammerplatte setzt sich aus den Flächenträgheitsmomenten der Deckschichten zuzüglich des Flächenträgheitsmomentes der mindestens 41 mm hohen Stege (die Steghöhe geht in die Berechnung mit dritter Potenz ein) zusammen. In Zusammenhang mit der Anbindung der Stege an die Deckschicht mittels einer Schweißung hoher Festigkeit ist dies Grundlage für ein stabiles und besonders steifes Leichtbaukonstrukt. Dieses ist durch Variation der Deckschichten in einem Bereich von 5 bis 10 mm und zusätzliche Höhenvariation der Stege (von 41 bis 100 mm) sowie einer im Raster von 54 mm wählbaren Anzahl der Stege pro Meter Plattenbreite in seiner Stabilität zusätzlich modifizierbar. Um das Lieferprogramm zu komplettieren, sind auch stumpfgeschweißte, fertige Eckelemente verfügbar.

Um die mechanischen Eigenschaften der Hohlkammerplatte zu untersuchen, wurden verschiedene Tests durchgeführt. Dabei hat der 3-Punkt-Biegeversuch die höchste Praxisrelevanz. Er ermöglicht Rückschlüsse auf das Deformationsverhalten in beiden möglichen Belastungsrichtungen der anisotropen Platte.

Die entsprechenden Testergebnisse erlauben nun, Äquivalenzen hinsichtlich der Steifigkeit zwischen Hohlkammerplatte und Vollplatte zu ziehen, womit erste statische Abschätzungen getätigt werden können. Bild 1 zeigt ein solches Ergebnis für eine Hohlkammerplatte mit 6 mm dicken Deckschichten und 19 Stegen. Das Diagramm stellt die für eine 5 %ige Deformation erforderliche Kraft der HKP-Muster geprüft in Stegrichtung (rechte 3 blaue Säulen), quer zur Stegrichtung (linke 3 blaue Säulen) und der Vollthermoplastplatten (rote Säulen) dar. Das Ergebnis: Die geprüfte Hohlkammerplatte bei +20 °C besitzt eine größere Steifigkeit als eine PE-HWU-B-Vollplatte von 40 mm Dicke (Flächengewicht: Hohlkammerplatte: 20,4 kg/m², PE-HWU 40 mm: 38,2 kg/m²).

Die Aufstellungssituation der Behälter aus Hohlkammerplatten wird durch die Struktursimulation eines dreidimensionalen Berechnungsmodells abgebildet. Die Geometrieapproximation der Hohlkammerplatten erfolgt über viereckige Schalenelemente, die die realen Wanddicken in den einzelnen Bereichen des Behälters mit berücksichtigen. Der Boden der Behälter sowie der Auflagerboden werden über Volumenelemente abgebildet. Es erfolgt die Simulation eines repräsentativen Satzes von unterschiedlichen Behältergrößen, die alle über das gleiche Grundgerüst der Modellierung verfügen.

Bild 2 zeigt exemplarisch zwei Viertel (Ausnutzung der Symmetrie) unterschiedlicher Behältergrößen, die den numerischen Berechnungen zugrunde liegen. Die Einfärbungen der Elemente zeigen diverse Elementtypen mit differenzierten Eigenschaften wie beispielsweise Plattendicke und/oder Materialparameter.

Zwischen der Bodenplatte des Behälters und dem simulierten Untergrund wird eine reibungsfreie Kontaktbeziehung definiert. Für alle durchgeführten Berechnungen erfolgt eine geometrisch nichtlineare Kontaktberechnung, in deren Rahmen alle Belastungen iterativ gesteigert werden. Für die thermischen Untersuchungen wird zunächst eine stationäre Betrachtung unter Vorgabe der Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Behälters ausgeführt. Im weiteren Verlauf können die so gefundenen Temperaturen auf das Modell aufgebracht werden und es wird eine thermomechanisch gekoppelte Berechnung angesteuert. Die Geometrie der Netze wird während der Berechnungen so lange verfeinert, bis bei zwei aufeinander folgenden Berechnungen ein konvergentes Ergebnis vorliegt. Zur Erstellung eines analytischen Ersatzmodells für die Berechnung der Verformungen und Spannungen in den unterschiedlichen Behältergeometrien wird ein aussagekräftiger Umfang von Behältern numerisch simuliert. Ein Unterscheidungsmerkmal ist dabei, dass ab einer gewissen Behältergröße zusätzlich Zuganker angeordnet werden.

Fest vorgegeben wurden zwei Materialien [PE 80 (PE-HWU-B) oder PP-H (PP-DWU AlphaPlus)], drei Deckschichtdicken (6, 8, 10 mm), eine variable Dichte des Füllmediums zwischen 10 und 12 kN/m³ und ein variabler Temperaturunterschied zwischen innen und außen von maximal 40 K.

Exemplarisch werden in Bild 2 anhand von zwei Behältern schematisch die numerischen Ergebnisse für die maximalen und minimalen Hauptspannungen dargestellt.

Ziel war es, anhand der vielen unterschiedlichen FEM-Berechnungen analytische Ersatzmodelle zu entwickeln, die es ermöglichen, anhand der Eingangsparameter eine Aussage über die Standsicherheit der Behälter aus Hohlkammerplatten zu treffen. Die Auswertung der Deformation erfolgt in Anlehnung an die DVS 2205 Teil 5. Aufgrund der Berechnungsergebnisse der Behälterverformungen ist es möglich, eine Ersatzwandstärke einer gleichwertigen Vollwandplatte für die simulierten Behältergeometrien anzugeben.

Auf der Basis der analytischen Ersatzmodelle wurde schließlich von Ingsoft ein Berechnungsprogramm entwickelt (Bild 3). Die Software ermöglicht dem Anwender, die Standsicherheit der Behälter aus Hohlkammerplatten zu beurteilen und Trag- bzw. Gebrauchsfähigkeitsnachweise durchzuführen. Dabei sind die vielfältigen Eingangsgrößen, die bei den FEM-Berechnungen berücksichtigt wurden, im Programmsystem variabel gehalten. Der Anwender kann nach Eingabe verschiedenartiger Randbedingungen die nach den aktuell gültigen Normen und Regelwerken erforderlichen Nachweise führen. Das Berechnungstool liefert nach Eingabe aller notwendigen Eingangsparameter ein prüffähiges statisches Dokument. Das Berechnungstool wird exklusiv von Simona als Dienstleistung für Anwender angeboten und genutzt, womit das System der Hohlkammerplatte komplettiert ist.

Online-Info: www.cav.de/0411420