Tragverhalten axial- und ringversteifter Tank- und Silobehälter aus hochfesten (Duplex-)Stählen und kaltzähen Druckbehälterstählen

  • Ansprechperson:

    Marcel Mott, M.Sc. Dr-.Ing. Daniel Ruff

  • Förderung:

    FOSTA, AIF

  • Projektbeteiligte:

    Universität Duisburg-Essen (UDE), Institut für Metall- und Leichtbau

  • Laufzeit:

    2021 - 2023

Tragverhalten axial- und ringversteifter Tank- und Silobehälter aus hochfesten (Duplex-)Stählen und kaltzähen Druckbehälterstählen

Tank- und Silobehälter in Stahlbauweise wurden in der Vergangenheit im Bauwesen weitestgehend aus normalfesten Baustählen oder nichtrostenden austenitischen Stählen mit niedrigen Festigkeiten gefertigt. Mehr und mehr kommen allerdings hochfeste nichtrostende Duplex-Stähle zum Einsatz, z. B. in Biogas-Fermentern. Der Einsatz hochfester Baustähle und nichtrostender Stähle reduziert nicht nur den Stahlverbrauch und die Herstellungskosten, sondern erhöht die Wettbewerbsfähigkeit von Tank- und Silobehältern in Stahlbauweise gegenüber Behältern aus anderen Baustoffen.

Mittelschlanke bzw. dünnwandige Schalentragwerke, wie z. B. Tanks, werden üblicherweise mit Längs- und/oder Ringsteifen versehen, um die Beultragfähigkeit, gerade bei starker Wind- und/oder hoher Axialdruckbeanspruchung, bei einem vergleichsweise geringem zusätzlichen Materialaufwand, zu erhöhen.

Kaltzähe Druckbehälterstähle werden zur Lagerung tiefkalt verflüssigter Gase bei Temperaturen zwischen -165 °C bis -200 °C in Tankbauwerken eingesetzt. Neben der Beulproblematik besteht hier als weiteres Problem die Werkstoffwahl zur Vermeidung von Sprödbruch.

Ferner ist derzeit ein Teilsicherheitsbeiwert größer 1,0 angesetzt, der beim Lastfall Flüssigkeitslast technisch nicht begründbar ist, da dieser Lastfall streng deterministisch ist.

Die europäischen Bemessungsnormen für Tanks und Silos DIN EN 1993-1-6, -4-1 und -4-2 sind auf normalfeste Baustähle ausgelegt und berücksichtigen weder abschließende Nachweisformate für ring- und axialversteifte Schalen noch für hochfeste Baustähle oder nichtrostende Stähle. Hierzu sollen im Rahmen des Forschungsvorhabens Zähigkeitsuntersuchungen durchgeführt sowie Schalentragwerke mit praxisüblichen Abmessungen und verschiedenen Versteifungsgraden experimentell und numerisch untersucht und in ein Bemessungskonzept überführt werden, um eine effiziente Bemessung für axial-, und ringversteifte Schalentragwerke mit glattwandigen und gewellten Wandungen aus hochfesten Stählen zu ermöglichen.

Problemstellung

  • Mangelhafte normative Regelungen für die Bemessung von längs- und/oder ringversteiften Schalentragwerken aus normalfesten Baustählen;
  • Fehlende Regelungen zur Berücksichtigung der materialspezifischen Eigenschaften von hochfesten (nichtrostenden) Stählen bzw. kaltzähen Druckbehälterstählen beim Beulsicherheitsnachweis in europäischen Bemessungsnormen, wie z. B. DIN EN 1993-1-6, -4-1 und -4-2.

Methodik

  • Überprüfung einer erhöhten Beultragfähigkeit durch den Einsatz von hochfesten Baustählen, nichtrostenden Duplex-Stählen bzw. kaltzähen Druckbehälterstählen;
  • Überprüfung einer erhöhten Beultragfähigkeit durch die Anwendung von Axial- und/oder Ringsteifen;
  • Ermittlung von Mindeststeifigkeiten und Festigkeitskriterien für Axialsteifen sowie End- und Zwischenringsteifen.

Zielsetzung

  • Ergänzung der derzeit lückenhaften Regelungen der europäischen Normen (DIN EN 1993-1-6, -4-1 und -4-2) für eine effizientere Bemessung von axial- und/oder ringversteiften Tank- und Silobehältern aus normal- oder hochfesten Baustählen, nichtrostenden Duplex-Stählen und kaltzähen Druckbehälterstählen