Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle Untersuchung der Winddruckverteilung bei offenen und geschlossenen kreiszylinderförmigen Silobauwerken und Tanks

Kreiszylinderförmige Behälter für die Lagerung von Flüssigkeiten (Tanks) oder Schüttgut (Silos) können auf Grund der rotationssymmetrischen Belastung durch das Füllmaterial als besonders dünnwandige Stahlkonstruktionen hergestellt werden. Im leeren oder teilweise gefüllten Zustand besteht jedoch unter unsymmetrischer Windbeanspruchung die Gefahr des Stabilitätsversagens, sodass der Wind häufig die maßgebende Bemessungssituation darstellt. Die unzureichende Beschreibung der Windlasten in den einschlägigen Berechnungsvorschriften DIN EN 1991-1-4 und DIN EN 1993-4-1/Anhang C führt dazu, dass dünnwandige Behälterschalen entweder in hohem Maße ausgesteift werden oder stattdessen zunehmend dickwandige Konstruktionen aus Stahlbeton den Vorzug erhalten. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen umfangreiche und systematische Windkanalversuche zur Bestimmung der Winddruckverteilung bei kreiszylinderförmigen Silos und Tanks durchgeführt werden. Die Untersuchungen gliedern sich im Wesentlichen in zwei Schwerpunkte. Im ersten Schritt erfolgen Messungen an einzelnstehenden Behältern mit unterschiedlichen H/D-Verhältnissen. Es soll untersucht werden, wie sich die Schlankheit eines kreiszylinderförmigen Behälters auf die Umfangsdruckverteilung auswirkt und welchen Einfluss dabei die Bauwerksüberströmung hat. Anschließend werden Messungen an verschiedenen Konfigurationen von Behältergruppen unter Variation der Anströmrichtung und des Abstands zwischen den Behältern durchgeführt. Dabei soll insbesondere der Effekt der Kanalisierung bei eng nebeneinanderstehenden Behältern untersucht werden, der zu einer Erhöhung der Windgeschwindigkeit und damit der Sogbeanspruchung an den umströmten Seitenbereichen der Behälter führt. Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines realitätsnahen Modells zur Beschreibung der Windbeanspruchung bei kreiszylinderförmigen Behältern. Damit soll für den Anwender (kmUs) eine verlässliche und wirtschaftliche Bemessungsgrundlage geschaffen werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im leeren oder teilweise gefüllten Zustand besteht unter der in Umfangsrichtung unsymmetrischen Windbeanspruchung die Gefahr des Stabilitätsversagens, sodass der Wind häufig die maßgebende Bemessungssituation darstellt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche und systematische Windkanalversuche an Modellen kreiszylinderförmiger Silos und Tanks mit unterschiedlichen H/D (Höhe/Durchmesser) Verhältnissen durchgeführt. Im ersten Teil wurden Versuche an einzelnstehenden Modellen mit acht unterschiedlichen H/D Verhältnissen (H/D = 0,3 - 4,0) durchgeführt. Untersucht wurden die Effekte aus der dreidimensionalen Umströmung des Zylinders und die Veränderung der Druckverteilung in Abhängigkeit von der Zylinderschlankheit. Neben den Außendruckverteilungen wurden die Innendruckverteilungen bei oben offenen Zylindern ermittelt. Im zweiten Teil wurden Druckmessungen an mehreren ein- und zweireihigen Behältergruppen bestehend aus zwei bis sechs Zylindern durchgeführt. Die Untersuchungen erfolgten an den Modellen mit H/D = 0,5 und 2,0. Variiert wurden die Anströmrichtung β und der Abstand zwischen den Zylindern S/D (Spaltbreite/Durchmesser). Die wesentlichen Ergebnisse sind zum einen eine deutliche Vergrößerung des positiven Druckbereichs auf der windzugewandten Seite bei abnehmendem S/D, insbesondere am mittleren Zylinder in einer Dreierreihe bei senkrechter Anströmrichtung (β = 90°). Die Größe der Druckbeanspruchungen nimmt dabei mit der Zylinderschlankheit H/D zu. Zum anderen wurde für die schlanken Silomodelle (H/D = 2,0) eine erhebliche Zunahme der seitlichen Sogbeanspruchungen auf der frei umströmten Seite des stromaufwärts stehenden Zylinders bei β = 120° - 135° und S/D = 0,1 - 0,25 festgestellt. Die wesentlichen Erkenntnisse wurden in Form von Bemessungsempfehlungen aufbereitet und ein Modell für die Beschreibung der Winddruckverteilung einzelnstehender Silos und Tanks sowie Behältergruppen entwickelt.