Silobauwerke und ihre spezifischen Beanspruchungen

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Deutsche
Forschungsgemeinschaft
Silobauwerke
und ihre spezifischen
Beanspruchungen
Deutsche
Forschungsgemeinschaft
Silobauwerke
und ihre spezifischen
Beanspruchungen
Ergebnisse aus
dem gleichnamigen
Sonderforschungsbereich 219
an der Universität Karlsruhe
Herausgegeben von
Josef Eibl
und Gerd Gudehus
Deutsche Forschungsgemeinschaft
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(Federal Republic of Germany). 2000
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Printed in the Federal Republic of Germany.
IV
Inhalt
Vorwort ................................................................................................. IX
Teil I Übersichten
1 Neue Erkenntnisse zur Silobeanspruchung........................................ 3
Josef Eibl
1.1 Vorbemerkung....................................................................................... 3
1.2 Erreichter Stand vor Beginn des Sonderforschungsbereichs............. 4
1.3 Arbeiten im Sonderforschungsbereich................................................ 6
1.3.1 Zur Beanspruchung der Silozellen....................................................... 6
1.3.2 Zum Beulen von Stahlsilos.................................................................... 12
1.3.3 Staubexplosionen.................................................................................. 17
1.3.4 Silodynamik........................................................................................... 21
1.3.5 Austragvorrichtungen........................................................................... 24
1.3.6 Fragen der Probabilistik – Risikobetrachtungen................................. 27
1.4 Offene Fragen........................................................................................ 28
1.5 Zusammenfassung................................................................................. 29
1.6 Literatur.................................................................................................. 30
2 Siloprobleme aus bodenmechanischer Sicht ...................................... 32
Gerd Gudehus
2.1 Einführung ............................................................................................ 32
2.2 Materialverhalten von Schüttgütern ................................................... 34
2.3 Füllen und Speichern ........................................................................... 39
2.4 Quasistatisches Entleeren .................................................................... 42
2.5 Dynamisches Entleeren ........................................................................ 44
2.6 Sicherheitsfragen .................................................................................. 45
2.7 Ausblick ................................................................................................. 47
2.8 Literatur ................................................................................................. 48
V
Inhalt
Teil II Last- und Fließzustände in Silos
1 Rechnerische Erfassung der Silodrücke – Algorithmen .................... 53
Josef Eibl, Günter Rombach, Cornelius Ruckenbrod,
Andreas Braun, Mostafa Mehrafza
1.1 Einleitung .............................................................................................. 53
1.2 Mechanisches und numerisches Modell ............................................. 54
1.3 Ergebnisse ............................................................................................. 58
1.3.1 Stoffgesetze ........................................................................................... 58
1.3.1.1 Statischer Teil ........................................................................................ 58
1.3.1.2 Geschwindigkeitsabhängiger Stoffansatz .......................................... 61
1.3.2 Dichteänderung .................................................................................... 63
1.3.3 Verifikationsberechnungen ................................................................. 64
1.3.3.1 Fließverhältnisse ................................................................................... 64
1.3.3.2 Entleerungsdrücke ............................................................................... 67
1.3.4 Untersuchungen zu speziellen Siloproblemen ................................... 68
1.3.4.1 Lagerungs- bzw. Füllzustand ............................................................... 69
1.3.4.2 Trichterdruck ......................................................................................... 72
1.3.4.3 Switch .................................................................................................... 73
1.3.4.4 Exzentrische Entleerung ...................................................................... 74
1.3.4.5 Dynamische Phänomene ...................................................................... 75
1.3.4.6 Kohäsion ................................................................................................ 79
1.3.4.7 Interaktion zwischen Schüttgut und Silowand .................................. 80
1.3.4.8 Temperaturlasten in Silozellen ............................................................ 81
1.4 Schüttgutbeanspruchung von Silozellen bei
Erdbebeneinwirkung ........................................................................... 82
1.5 Schlußfolgerungen und offene Fragen ............................................... 84
1.6 Literatur ................................................................................................. 86
2 Überprüfung beziehungsweise Ergänzung von Stoffgesetzen
für granulare, nichtkohäsive Schüttgüter ........................................... 88
Jörg Weidner
2.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung ..................................................... 88
2.2 Geschwindigkeitsunabhängige Ansätze ............................................ 90
2.2.1 Das Stoffgesetz von Lade ..................................................................... 90
2.2.1.1 Die Stoffgleichungen ............................................................................ 90
2.2.1.2 Die Stoffkonstanten .............................................................................. 91
2.2.1.3 Die Grenzzustände ............................................................................... 91
2.2.2 Das Stoffgesetz von Kolymbas ............................................................. 91
2.2.2.1 Die Stoffgleichungen ............................................................................ 91
2.2.2.2 Die Stoffkonstanten .............................................................................. 92
2.2.2.3 Die Grenzzustände ............................................................................... 93
2.3 Geschwindigkeitsabhängige Ansätze ................................................ 94
2.3.1 Allgemeines .......................................................................................... 94
2.3.2 Der lineare Ansatz von Häußler und Gladen ..................................... 94
2.3.3 Der nichtlineare Ansatz von Savage sowie Stadler und Buggisch ... 95
VI
Inhalt
2.4 Ergebnisse rechnerisch simulierter Versuche .................................... 95
2.4.1 Rechnerische Simulation von Versuchen ohne Viskosität ................. 95
2.4.1.1 Konventionelle triaxiale Kompressionsversuche ............................... 95
2.4.1.2 Proportionale Verformungspfade......................................................... 96
2.4.1.3 Silorelevante Spannungs-Dehnungs-Pfade ........................................ 96
2.4.2 Rechnerische Simulation von Versuchen mit Viskosität .................... 100
2.4.2.1 Konventionelle triaxiale Kompressionsversuche ............................... 100
2.4.2.2 Proportionale Verformungspfade ........................................................ 100
2.5 Ausblick ................................................................................................. 102
2.6 Literatur ................................................................................................. 103
3 Mechanisches Verhalten von Silogütern ............................................ 105
Ivo Herle, Dimitrios Kolymbas
3.1 Einführung............................................................................................. 105
3.1.1 Granulate............................................................................................... 105
3.1.2 Stoffgesetze ........................................................................................... 107
3.2 Laborversuche ....................................................................................... 108
3.2.1 Triaxialversuche .................................................................................... 108
3.2.1.1 Triaxialgerät .......................................................................................... 108
3.2.1.2 Meßfehler und ihre Behebung............................................................. 110
3.2.1.3 Untersuchte Granulate.......................................................................... 110
3.2.1.4 Versuchsergebnisse .............................................................................. 111
3.2.2 Soft-Ödometerversuche ....................................................................... 115
3.2.2.1 Soft-Ödometer ...................................................................................... 115
3.2.2.2 Versuchsergebnisse .............................................................................. 117
3.3 Hypoplastisches Stoffgesetz ................................................................ 118
3.3.1 Annahmen ............................................................................................. 118
3.3.2 Mathematische Formulierung ............................................................. 118
3.3.2.1 Entwicklung des hypoplastischen Stoffgesetzes ................................ 120
3.3.2.2 Eine vollständige Version des hypoplastischen Stoffgesetzes .......... 122
3.3.3 Bestimmung der Stoffparameter und ihre Verifikation ..................... 123
3.3.4 Grenzen des hypoplastischen Stoffgesetzes ....................................... 126
3.4 Literatur ................................................................................................. 127
4 Schüttgut-Wand-Wechselwirkung für trockene und
feuchte Schüttgüter .............................................................................. 129
Hans Buggisch
4.1 Problemstellung .................................................................................... 129
4.2 Schüttgut-Wand-Wechselwirkung und Wandschlupf ....................... 131
4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick .............................. 135
4.4 Literatur ................................................................................................. 136
VII
Inhalt
5 Theoretische und experimentelle Untersuchungen
zum schnellen Fließen von Schüttgütern in konvergenten
Geometrien ........................................................................................... 137
Hans Buggisch
5.1 Grundlagen ........................................................................................... 137
5.2 Theorie der ausgebildeten stationären Schachtströmung ................. 138
5.3 Vergleich mit dem Experiment ............................................................ 139
5.4 Experimentelle und theoretische Überlegungen zur
Instabilität der stationären Schachtströmung...................................... 141
5.5 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick .............................. 146
5.6 Literatur ................................................................................................. 147
6 Empirische und numerische Untersuchung
stochastischer Einflüsse auf Silodrücke .............................................. 148
Josef Eibl, Frank Dahlhaus
6.1 Zusammenfassung ................................................................................ 148
6.2 Ausgangsfragestellung ........................................................................ 149
6.3 Angewandte Methoden ....................................................................... 149
6.3.1 Datenbank ............................................................................................. 149
6.3.2 Numerische Untersuchungen .............................................................. 150
6.4 Ergebnisse ............................................................................................. 153
6.4.1 Datenbank ............................................................................................. 153
6.4.2 Numerische Berechnungen ................................................................. 155
6.5 Schlußfolgerungen und offene Fragen ............................................... 162
6.6 Literatur ................................................................................................. 165
Teil III Planung und Konstruktion von Silos
1 Experimentelle Untersuchungen zum zeitlichen
Spannungsverlauf in dünnwandigen Stahlsilos ................................. 169
Thomas Licht, Ulrich Schulz
1.1 Einleitung .............................................................................................. 169
1.2 Karlsruher Siloprüfstand ...................................................................... 170
1.3 Durchführung und Ergebnisse der Füll- und
Entleerungsversuche ............................................................................ 173
1.4 Simulation der dynamischen Vorgänge beim Entleeren ................... 181
1.5 Zusammenfassung ................................................................................ 184
1.6 Literatur ................................................................................................. 185
2 Stabilität von stählernen Silozylinderschalen bei
Belastung mit ruhendem und bewegtem Schüttgut .......................... 186
Klaus Knebel, Udo Peil, Ulrich Schulz, Karl Schweizerhof,
Thomas Ummenhofer
2.1 Zum allgemeinen Problem ................................................................... 186
2.1.1 Bisheriges Regelwerk ........................................................................... 187
2.2 Stabilitätsprobleme bei schüttgutgefüllten Siloschalen .................... 190
2.3 Modellbildung für Schüttgut ............................................................... 193
VIII
Inhalt
2.3.1 Bettungsmodell ..................................................................................... 195
2.3.2 Verformungsabhängige Belastung ...................................................... 197
2.4 Experimentelle Untersuchungen ......................................................... 200
2.4.1 Versuchsprogramm ............................................................................... 200
2.4.2 Versuchskörper und Versuchsaufbau ................................................. 201
2.4.2.1 Imperfektionen und Imperfektionsmessung ...................................... 203
2.4.2.2 Verifikationsversuche ........................................................................... 203
2.4.2.3 Versuche im Siloprüfstand ................................................................... 205
2.4.2.4 Abminderungsfaktoren ........................................................................ 210
2.4.2.5 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse ....................................... 212
2.5 Modellkontrolle mit Verifikationsversuchen ...................................... 213
2.5.1 Lastfall Axiallast ................................................................................... 214
2.5.2 Lastfall Axiallast und Wanddruck ....................................................... 216
2.6 Zylinder mit Schüttgutfüllung und Axialbelastung ........................... 218
2.6.1 Gleichförmig verteiltes Schüttgut ....................................................... 219
2.6.1.1 Simulation unter Einschluß von Randaufstandsimperfektionen ....... 219
2.6.1.2 Simulation mit einseitig wölbbehinderter Lagerung ......................... 220
2.6.2 Numerische Untersuchungen mit Variation von Innendruck und
Schüttgutsteifigkeit .............................................................................. 222
2.7 Betrachtung ungleichförmiger Schüttgutverteilung .......................... 226
2.7.1 Modellierung der Interaktion mittels einer ungleichförmigen
Drucklast ............................................................................................... 226
2.7.2 Schlotbildung ........................................................................................ 228
2.8 Randaufstandsprobleme ...................................................................... 229
2.8.1 Beobachtete Imperfektionen ............................................................... 230
2.8.1.1 Imperfektionsmodelle ........................................................................... 230
2.8.1.2 Variation der Längsbelastung und der geometrischen
Randbedingungen ................................................................................ 231
2.8.2 Studien geometrischer Aufstandsimperfektionen am Vollzylinder .. 233
2.9 Untersuchungen mit Einbeziehung des dynamischen Verhaltens ... 235
2.9.1 Berücksichtigung einer Schüttgutfüllung ........................................... 236
2.10 Zusammenfassung ................................................................................ 239
2.11 Literatur ................................................................................................. 241
Teil IV Betrieb von Silos
1 Verspannung, Scherfugenbildung und Selbsterregung bei der
Siloentleerung ....................................................................................... 245
Jacek Tejchman, Gerd Gudehus
1.1 Einführung ............................................................................................ 245
1.2 Experimente .......................................................................................... 248
1.2.1 Versuche in Modellsilos ....................................................................... 248
1.2.2 Große Siloversuche ............................................................................... 251
1.3 Schüttgutverhalten ............................................................................... 253
1.4 Cosserat-Randbedingungen an der Silowand .................................... 263
1.5 Ein einfaches Modell zur Erklärung selbsterregter
Schwingungen ...................................................................................... 264
IX
Inhalt
1.6 Füllen und quasistatisches Entleeren ................................................. 264
1.6.1 Füllen ..................................................................................................... 264
1.6.2 Quasistatisches Entleeren .................................................................... 267
1.7 Dynamisches Entleeren ........................................................................ 273
1.7.1 Pulsationen ............................................................................................ 273
1.7.2 Schlagen ................................................................................................ 278
1.8 Schlußfolgerungen und Empfehlungen .............................................. 280
1.9 Literatur ................................................................................................. 284
2 Belastungs- und Fließverhältnisse in Silos mit Räumarmaustrag ..... 288
Fritz Gehbauer, Achim Auchter, Heinrich Schlick
2.1 Einleitung .............................................................................................. 288
2.2 Aufbau der Versuchsanlage und Versuchsschüttgüter ..................... 289
2.2.1 Mechanische Konzeption der Versuchsanlage .................................. 289
2.2.2 Konzeption der meßtechnischen Einrichtungen ................................ 290
2.2.3 Versuchsschüttgüter ............................................................................. 291
2.3 Verlauf der Wandnormalspannungen im Füllzustand ....................... 292
2.3.1 Experimentelle Ergebnisse .................................................................. 292
2.3.2 Rechnerische Ermittlung der Horizontalspannungen im
konvergenten Bereich .......................................................................... 293
2.3.3 Theoretische Lastverhältnisse (λ,k-Wert) ........................................... 296
2.3.4 Vergleich der Meßergebnisse mit den theoretischen
Berechnungen ....................................................................................... 297
2.4 Charakteristik der Fließzone ............................................................... 298
2.4.1 Visuelle Beobachtung der Schüttgutoberfläche ................................. 298
2.4.2 Ausbildung der Fließzone .................................................................... 298
2.5 Wandbelastungen beim Entleeren ...................................................... 301
2.5.1 Verlauf der Wandschubspannungen ................................................... 301
2.5.2 Verlauf der Wandnormalspannungen ................................................. 302
2.6 Vertikalkräfte auf die Einbaukörper ................................................... 307
2.7 Vertikaldruck erzeugende Belastungen der Siloschale ..................... 310
2.7.1 Eigengewicht der Silowand ................................................................. 310
2.7.2 Vertikale Wandschubspannungen ...................................................... 310
2.7.3 Ersatzstreckenlast aus asymmetrischer Belastung ............................. 313
2.8 Untersuchung der Überlagerung von Druckspannungen in
der Siloschale ........................................................................................ 316
2.9 Die Spannungsverhältnisse am Siloboden ......................................... 319
2.10 Charakteristik und Ermittlung des Antriebsdrehmoments .............. 322
2.11 Zusammenfassung ................................................................................ 326
2.12 Literatur ................................................................................................. 327
3 Druck/Zeit-Belastungsfunktionen von Silowandungen bei
Innenraum-Staubexplosionen ............................................................. 329
Wolfgang Leuckel, Guangping Zhen
3.1 Einleitung .............................................................................................. 329
3.2 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ..................................... 330
X
Inhalt
3.2.1 Explosionsversuche ............................................................................. 330
3.2.2 Turbulenzmessungen und Turbulenzbeschreibung beim
Staubeintrag .......................................................................................... 331
3.2.3 Versuchsaufbau für Staubflammen ..................................................... 332
3.3 Versuchsergebnisse .............................................................................. 333
3.3.1 Laminare Staubflammen ..................................................................... 333
3.3.2 Ausblasevorgang mit und ohne Staubbeladung ................................ 334
3.3.3 Turbulenzmessung im Versuchsbehälter ............................................ 336
3.3.4 Ermittlung staubeintragerzeugter Turbulenz ..................................... 339
3.3.5 Transiente Mischungsvorgänge bei Luft- und Staubeindüsung ....... 341
3.3.5.1 Gaskonzentrationsänderung ............................................................... 341
3.3.5.2 Staubkonzentrationsänderung ............................................................ 342
3.3.6 Turbulente Gas- und Staubexplosionen ............................................ 343
3.3.6.1 Druck/Zeit-Verläufe ............................................................................ 343
3.3.6.2 Explosionsdruck und zeitlicher Druckanstieg ................................... 344
3.3.7 Ermittlung der turbulenten Flammengeschwindigkeit ..................... 346
3.4 Literatur ................................................................................................. 351
4 Experimentelle Studien an einer Versuchssiloanlage zur
Druckentlastung von Staubexplosionen ............................................. 352
Josef Eibl, Wolfgang Leuckel, Tarek Nasr, Siegfried Höchst
4.1 Einleitung .............................................................................................. 352
4.2 Versuchsaufbau und -durchführung ................................................... 355
4.2.1 Versuchssiloanlage ............................................................................... 355
4.2.2 Versuchsdurchführung ......................................................................... 360
4.3 Meßergebnisse ...................................................................................... 363
4.3.1 Druck/Zeit-Verläufe ............................................................................. 363
4.3.2 Dehnung/Zeit-Verläufe ........................................................................ 366
4.3.3 Ionisationssondenaufzeichnungen ...................................................... 369
4.3.4 Wesentliche Einflußfaktoren auf den Druck/Zeit-Verlauf und die
Flammenfrontausbreitung ................................................................... 371
4.3.4.1 Turbulenz- und Zündorteinfluß ........................................................... 371
4.3.4.2 Bedeutung der Entlastungsöffnung: Größe und Anordnung ........... 373
4.3.4.3 Entlastung mit trägen Elementen ........................................................ 377
4.4 Bauwerksreaktionen und Bewegung der Entlastungselemente ....... 380
4.5 Schlußfolgerung und Zusammenfassung ........................................... 383
4.6 Literatur ................................................................................................. 384
Teil V Risikobewertung
1 Risikobewertung von Silobauwerken ................................................. 389
Erhard Hampe (†), Karl-Heinz Müller, Werner Burzel,
Roland Hempel, Hans-Georg Timmler
1.1 Problemstellung .................................................................................... 389
1.2 Ziele ....................................................................................................... 390
1.3 Stochastischer Silodruck ...................................................................... 391
1.3.1 Zur Problematik .................................................................................... 391
XI