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Thermoplastische Behälter und ihre Auslegungsparameter

09.06.2017 Es begann vergleichsweise simpel: Als Hersteller in den 50er Jahren erste vollthermoplastische Behälter statisch dimensionierten, beschränkte sich die Auslegung auf die Anwendung der Kesselformel. Erst mit den zunehmend komplexeren Anwendungsgebieten von vollthermoplastischen Tanks wurde eine differenzierte Betrachtung notwendig.

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Hersteller müssen in der Lage sein, immer mehr Aufträge in kürzerer Zeit abwickeln zu können. Bild: Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung

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Die Komplexität der Thematik macht eine hohe Einarbeitungszeit erforderlich. Bild: Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung

Komplexität

Die Komplexität der Thematik macht eine hohe Einarbeitungszeit erforderlich. Bild: Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung

Für alle Behälterkonstruktionen, bei denen ein thermoplastischer Werkstoff (PE, PP oder auch PVC) als statisch tragendes Bauteil zum Einsatz kommt, bildet die DVS-Richtlinie (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren) die erforderliche Rechtsgrundlage und wird weltweit als aktueller Stand der Technik akzeptiert. Insbesondere die DVS-Richtlinie 2205 (DVS-Taschenbuch, aktuelle Ausgabe 2016) geht explizit und detailliert auf die Berechnung von Behältern und Apparaten aus Thermoplasten ein. Um die neusten Erkenntnisse aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie der Material- und Normenentwicklung in das Regelwerk zu implementieren, beraten entsprechende Arbeitskreise des DVS kontinuierlich über eventuelle Änderungen. So war es in den letzten Jahren möglich, für Rundbehälter mit Flach-, Schräg- sowie ringgestützten Kegelböden eine umfassende Reihe von Richtlinien zu verabschieden.

Fehlender konsistenter Berechnungsansatz

Obgleich es sich bei den DVS-Richtlinien um den aktuellen und anerkannten Stand der Technik handelt, sind bei genauerer Betrachtung in der Praxisanwendung Überarbeitungspotenziale  zu erkennen. So wird derzeit die aktuelle Rechteckbehälterrichtlinie 2205-5 grundlegend überarbeitet. Dabei wird das Teilsicherheitskonzept aus der aktuellen Normengeneration (EC) konsequent umgesetzt. Weiterhin kommt es zu Anpassungen des gültigen Formelwerks zur Schnittgrößen- und Verformungsberechnung  an horizontal- sowie jochverstärkten Rechteckbehältern an das erhöhte Anforderungsprofil. Für individuelle Anwendungsfälle, wie ein Segmentboden, 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 beziehungsweise Ingenieurs erforderlich. So umfasst die heutige Statik 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 ist die Aufstellung einer prüffähigen Statik in einem wirtschaftlich angemessenen Zeitfenster nur mit einem speziellen Ingenieur-Softwarepaket möglich.

Ganzheitlicher Betrachtungsansatz

Es stellt sich die Frage: Welche Anforderungen werden heute an ein Programm zur Berechnung von Behältern gestellt? 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 Ingenieur-Softwarelösung 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 der Finite-Elemente-Methode (FEM), des CAD sowie zu der Kalkulation ebenfalls sinnvolle Komponenten. Sie ermöglichen eine ganzheitliche Betrachtung des Konstruktionsablaufs. Antworten auf die aufgeworfenen Fragestellungen und Anforderungen finden wir in dem Organisationsdiagramm  als Grundlage eines modernen Softwarepakets für die Behälterbemessung.

Wichtig: der Datenaustausch

Zentrale Schnittstelle des Gesamtpakets ist die Kernsoftware, die die Verbindung zwischen den Modulen Expertensoftware, Rechenkern, Verwaltungssoftware und Ausgabe herstellt. 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) ermöglicht den Datenaustausch zwischen Behälter- und Fremdsoftware beziehungsweise nahezu jedem beliebigen Rechenkern.

Eine Verwaltung, die lediglich Eingabe- und Ausgabedaten einer Stand-alone-Lösung berücksichtigt, kann dieser Anforderung nicht genügen. Vielmehr ist es nötig, alle im Block „Verwaltungssoftware“ aufgeführten Verwaltungsaspekte zentral zu verwalten und allen Projektbeteiligten zur Verfügung zu stellen. Besondere Bedeutung besitzt dabei im Hinblick auf die Fehlervermeidung bei der Programmeingabe das Hinterlegen der Sicherheits- und A-Abminderungsfaktoren sowie der verschiedensten Werkstoffe, beispielsweise 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, beispielsweise Simchem von Simona, schaffen. Jeder innerhalb einer Anfrage geklärte A2-Wert steht in Echtzeit allen Anwendern der Software zur Verfügung.

Nachvollziehbarkeit ermöglichen

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 für externe Prüfstatiker sowie Prüfbehörden nachvollziehbar und prüffähig zu gestalten. Dabei gelten folgende Anforderungen:

  • 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 zu lesen und zu prüfen sein.
  • Sie muss kopier- bzw. scannfähig 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, nachzuvollziehen und zu reproduzieren sein.

Ausblick/Fazit

Die Markt- und Wettbewerbssituation im Sonderbehälterbau wird sich auch in den kommenden Jahren weiter verschärfen. Dabei müssen Unternehmen bei wachsendem Termin- und Kostendruck in der Lage sein, immer mehr Aufträge in einem kürzeren Zeitfester abzuwickeln. Diesem Widerspruch ist nur mit einem effizienten und flexiblen Konstruktionsablauf Rechnung zu tragen; Grundlage ist hier eine leistungsfähige Projekt- und Datenverwaltung. Des Weiteren bildet ein ständiger Austausch zwischen Anwender und Softwarehersteller in Form von Programmschulungen und/oder Pro­grammanpassungen einen weiteren Baustein für eine solide Zusammenarbeit.

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Heftausgabe: Juni 2017
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