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Erläuterungen zu der neuen Fassung der EN 13121-3
und seine Anwendung
Prof. Dr.-Ing. G. Nonhoff, Teil 1Stud. B.Sc. Fabian Lux, Teil 2
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Warum musste dieser Teil der Norm überarbeitet werden?
Viele Fehler, textlich und inhaltlichEinige Inhalte waren nicht sinnvoll, unnötig und fehlerhaftÄnderung des BemessungskonzeptesAbstimmung auf den Euro Code EN 1990 und anderen VorgabenTotale Überarbeitung der Flanschbe-rechnung, zusätzliche Flanschta-bellen
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Warum musste dieser Teil derNorm überarbeitet werden?
Lasten aus Erdbeben. Nachweis miteinem vereinfachtem VerfahrenZusätzliche Konstruktionsdetails fürVerankerungen und Anschlagpunktefür HebevorrichtungenZusätzliche Konstruktionen für Flach-bodenbehälter nebst BemessungNeues Kapitel für Rohre und Fittings
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Warum ein neuesBemessungskonzept?
Die Einflüsse werden der Lastseiteoder der Materialseite zugeordnetLastseite, Ei= Lasteinfluss
Materialseite, Rk= charakteristischerMaterialwiderstand
i,Fi5 EA
4321M
k
AAAAR
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Warum ein neuesBemessungskonzept?
Erlaubt eine bessere Überlagerung dereinwirkenden Last, sog. sichere Lasten.Individuelle Überlagerung von Lasten imHinblick auf die Wahrscheinlichkeit einesZusammentreffens.Klare Definitionen für außergewöhnlicheLasten(Erdbeben, Explosionen, etc.)Die neue Fassung entspricht den Vorgabender EN 1990
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MaterialseiteγM, Teilsicherheitsbeiwert für die charakteristischen MaterialkennwerteγM = 1.4, dieser Wert kann beistatistisch abgesicherten Kennwertenkleiner werden.Einflusswerte: Produktion (A1), Umwelt- Medieneinfluss (A2), Temperatur (A3), Dynamik (A4), Tabelle 8 DIN EN 13121-3
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Last- oder EinflusseiteEinflusswert für die zeitlicheEinwirkung einer Last (A5)Teilsicherheitsbeiwert γF für die einwirkenden Lasten, Abschnitt 9.3 DIN EN 13121-3Kombinationsbeiwerte ψ für die Überlagerung. Mögliche Kombina-tionen werden am einfachsten mitHilfe von Matrizen erarbeitet (Teil2).
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Kombination von Lasten
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Lastüberlagerungen für einenLagertank (Beispiel)
Eigengewicht nd, γF,d= 1,35, A5(10^5)
Füllung nF, γF,l= 1,35, A5(10^5)
Windlast nW, γF,w= 1,50, A5 = 1.0Unterdruck kurzzeitig, npu
γF,p = 1,50, A5 = 1.0Verkehrslast kurzzeitig auf dem Dachnv, γF,v = 1,50, A5 = 1.0
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Dimensionierung
Gegenüber Bruch bzw. TraglastInstabilitätBrauchbarkeit gegenüber einerGrenzdehnung
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Lastüberlagerungen für einenLagerbehälter (Beispiel)
UmfangsrichtungnE,d,c,B = nF,c * A5(10^5) * γF,l
nw,c * 1,0 * γF,w npu,c * 1,0 * γF,p
AchsrichtungnE,d,a,B = nd,a * A5(10^5) * γF,d + + nw,a * 1,0 * γF,w npu,a * 1,0 * γF,p
nv,a * 1,0 * γF,v⊕ in Kombination mit
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Welche Bemessung istdurchzuführen?
γM = 1,4, γF = 1,5 und A1*A2*A3*A4 = 1,21
Material E5/75 εgrenz σR A1 σ/(A*γF*γM) σε
N/mm² % N/mm² N/mm² N/mm²
FW 0° 12 000 0,20 120 1,6 29,5 26,4
FW 90° 22 000 0,27 280 1,2 91,8 65,3
ML 11 000 0,25 120 1,5 31,4 30,2
CSM 8 000 0,30 90 1,6 22,2 26,4
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Lagerbehälter bei Belastungaus Erdbeben
Ein einfaches Modell mit einer gutenLösung
S = Bodenbeiwert; q = Duktilität des Werkstoffes = 1,5i = Bedeutungsbeiwert; aiR = Grundbeschleunigung
2,5 = ß0 Verstärkungsbeiwert der Spektralbeschleunigung
q5,2SaTS gd
gRg aa
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Lagerbehälter bei Belastungaus Erdbeben
Horizontale Last aus Erdbeben
Moment aus dem Erdbeben
hs = Schwerpunkt der Last WG
GdAE WTSH liquidG VvesselloaddeadW
sAEAE hHM
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ZusammenfassungDas neue Konzept ist ein wenigkomplexerDie einwirkenden Lasten könnenaber besser und richtiger berücksich-tigt werdenEs bietet mehrere Möglichkeiten beispeziellen SituationenLiegen statistisch ausreichend aus-wertbare Matereialkennwerte vor, so kann M abgemindert werden
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Erläuterung zur Neufassung der EN13121-3
und deren Anwendung
-Teil 2
Stud. B.Sc. Fabian Lux
Christen & Laudon GmbH
GFK Unlimited 2013
1 / 14
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Fallstudie: GFK LagerbehälterGFK Unlimited 2013
2 / 14
● GFK Lagerbehälter für H2SO
4 bei 50°C
und 20 mbar.
● Gewölbtes Dach und gewölbter Boden.
● Außenaufstellung.
● Wickellaminat, Bisphenol-A Vinylester Harz.
Fokus: axialer Festigkeitsnachweis
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Was wird benötigt?GFK Unlimited 2013
3 / 14
● Wdh.: die grundlegende Kombinationsregel
Ed=∑ γG , j⋅G k , j⋅A5longterm
⊕ γQ ,1⋅Qk ,1⋅A5loadtime
⊕∑ γQ , i⋅ψ0, i⋅Qk , i⋅A5loadtime
Langzeitige Lasten
Teilsicherheits- faktoren
Abminderungs- faktoren
Kombinations- werte
Veränderliche LastenAufgeführt in
EN13121-3
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Was wird benötigt?GFK Unlimited 2013
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Ed=∑ γG , j⋅G k , j⋅A5longterm
⊕ γQ ,1⋅Qk ,1⋅A5loadtime
⊕∑ γQ , i⋅ψ0, i⋅Qk , i⋅A5loadtime
Langzeitige Lasten
Teilsicherheits- faktoren
Abminderungs- faktoren
Kombinations- werte
Veränderliche Lasten
Welche variable Last definiert die
ungünstigste Kombination?
● Wdh.: die grundlegende Kombinationsregel
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Bestimmung der LastenGFK Unlimited 2013
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Eigengewicht (Dach+Zylinder) 10 kN
Zusätzliche Dachlast 1 kN
Schneelast 1 kN/m²
Verkehrslast 1.5 kN/m²
Kurzzeitger Überdruck 5 mbar
Kurzzeitiger Unterdruck 3 mbar
Langzeitiger Überdruck 20 mbar
Langzeitiger Unterdruck 0 bar
Unterdruck (aus Winddruck) 0.36 kN/m²
Unterdruck (aus Windsog) 0 kN/m²
Windmoment 11.2 kN m
● Auflisten aller möglichen Einwirkungen
Schlechte Vergleichbarkeit!
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Eigengewicht (Dach+Zylinder) nW
= 1.2 N/mm
Zusätzliche Dachlast nWadd
= 0.1 N/mm
Schneelast nsnow
= 0.7 N/mm
Verkehrslast ntraffic
= 1.0 N/mm
Kurzzeitiger Überdurck no,s
= 0.3 N/mm
Kurzzeitiger Unterdruck nl,s
= 0.2 N/mm
Langzeitiger Überdruck no,l
= 1.3 N/mm
Unterdruck (aus Winddruck) nwind,p
= 0.2 N/mm
Windmoment nwind,M
= 2.1 N/mm
Umrechnung in SchnittlastenGFK Unlimited 2013
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Permanente Last
● Begründete Vermutung: Wind ist die führende veränderliche Last.
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Kombinierte axiale LastenGFK Unlimited 2013
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a) Druck
b) Biegemomentnx , M ,d , R=nwind , M⋅A5, s⋅γF , p
c) Eigengewicht, Personenlasten, etc.
nx ,W ,d ,R=(nW+nWadd)⋅A5⋅γF ,w+ψ0, t⋅ntraffic⋅A5, s⋅γF , p
Bemessungswert:
nx , d , R=nx , p , d , R+nx , M ,d , R+nx ,W ,d , R=7.4Nmm
nx , p , d , R=nwind , p⋅A5, s⋅γF , p
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GeneralisierungGFK Unlimited 2013
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Begründete Vermutung für ungünstigste Kombination
Gleichzeitiges Betrachten aller (physikalisch) möglichen Kombinationen
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Mathematischer HintergrundGFK Unlimited 2013
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● Einwirkungen (permanent oder veränderlich) bilden einen Tensor E der Stufe 1.
● Kombinationswerte bilden den Tensor Ψ der Stufe 2.
● Die Kontraktion des Tensorprodukts EΨ liefert einen Tensor der Stufe 1, dessen Einträge die Bemessungswerte aller möglichen Kombination sind.
Ausgeklügelte Mathematik, aber sehr einfach umzusetzen!(Excel, Mathcad, Maple, ...)
„Vektor“
„Matrix“
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ET Ψ - Matrixmethode GFK Unlimited 2013
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Schritt 1) Konstruktion des E Vektors.
E=(nW⋅A5⋅γF ,wnWadd⋅A5⋅γF , wnsnow⋅A5,3m⋅γF , pntraffic⋅A5, s⋅γF , pno , s⋅A5, s⋅γF , pn l , s⋅A5, s⋅γF , pno , l⋅A5⋅γF , p
nwind , p⋅A5, s⋅γF , pnwind , M⋅A5, s⋅γF , p
)
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E=(nW⋅A5⋅γF ,wnWadd⋅A5⋅γF , wnsnow⋅A5,3m⋅γF , pntraffic⋅A5, s⋅γF , pno , s⋅A5, s⋅γF , pn l , s⋅A5, s⋅γF , pno , l⋅A5⋅γF , p
nwind , p⋅A5, s⋅γF , pnwind , M⋅A5, s⋅γF , p
)GFK Unlimited 2013
11 / 14
Formalexample: Ψ=(
0 10 10 01 00 00 00 00 00 00 0
)→E d=max (ntraffic⋅A5, s⋅γF , p ,(nW+nWadd)⋅A5⋅γF ,w)
ET Ψ - Matrixmethode
Schritt 2) Finde eine Ψ Matrix, sodass Ed=max(ETΨ)
MatrixMult.
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Ψ=(−0.9A5 γF ,w
1 1 1 1 1
−0.9A5 γF ,w
1 1 1 1 1
0 1 0 ψ0, s 0 10 0 1 0 ψ0, t 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 11 0 0 0 0 00 ψ0,w ψ0,w 1 1 00 ψ0,w ψ0,w 1 1 0
)12 / 14 Ed=n x , d ,R=max(E
TΨ)=7.44
Nmm
E=(nW⋅A5⋅γF ,wnWadd⋅A5⋅γF , wnsnow⋅A5,3m⋅γF , pntraffic⋅A5, s⋅γF , pno , s⋅A5, s⋅γF , pn l , s⋅A5, s⋅γF , pno , l⋅A5⋅γF , p
nwind , p⋅A5, s⋅γF , pnwind , M⋅A5, s⋅γF , p
)Die begründete Vermutung wird
bestätigt!
Zurück zur Fallstudie Reduzierend Permanent
Führende veränderliche Einwirkung
GFK Unlimited 2013
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Ψ=(−0.9A5 γF ,w
1 1 1 1 1
−0.9A5 γF ,w
1 1 1 1 1
0 1 0 ψ0, s 0 10 0 1 0 ψ0, t 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 11 0 0 0 0 00 ψ0,w ψ0,w 1 1 00 ψ0,w ψ0,w 1 1 0
)FRP Unlimited 2013
13 / 14 Ed=n x ,d ,R=max(ETΨ)=7.4
Nmm
Ungünstigste Kombination
E=(nW⋅A5⋅γF ,wnWadd⋅A5⋅γF , wnsnow⋅A5,3m⋅γF , pntraffic⋅A5, s⋅γF , pno , s⋅A5, s⋅γF , pn l , s⋅A5, s⋅γF , pno , l⋅A5⋅γF , p
nwind , p⋅A5, s⋅γF , pnwind , M⋅A5, s⋅γF , p
)Zurück zur Fallstudie
Die begründete Vermutung wird
bestätigt!
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Fazit GFK Unlimited 2013
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● „Actions that cannot exist simultaneously due to physical or functional reasons should not be considered to act together in combinations.“ - Eurocode 0 / EN13121-3
Die Zahl möglicher Kombination kann stark reduziert werden.
In vielen Fällen ist die ungünstigste Kombination offensichtlich.
Die Matrixmethode erlaubt eine einfache Erkenntnis über Situationen, die nicht offensichtlich sind.
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7
Fallstudie: GFK LagerbehälterUmsetzung in Mathcad
Geometrie / Materialeigenschaften
Durchmesser ≔D 2600
Zylinderdicke ≔tCyl 5.2
Zylinderlänge ≔lCyl 3000
Höhe des Daches ≔HR 320
Höhe der Zarge ≔HSk 1500
AerodynamischeBeiwerte
≔cw 1.2
≔δ =0.46⎛⎜⎜⎝+1 0.1
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾⋅――――――
D
2 ⎛⎝ ++lCyl HR HSk⎞⎠
‾‾‾‾‾――D
2 tCyl
⎞⎟⎟⎠
0.555
Zugbruchfestigkeit ≔f 130 ――2
Abminderungsfaktoren
Einfluss des Prüfverfahrens ≔A1 1.0
Chemischer Einfluss ≔A2 1.4
Temperatureinfluss ≔A3 1.18
Einfluss der Operationszyklen ≔A4 1.0
Langzeitverhalten des Laminats (für axiale Lasten):
Kurzzeitig ≔A5.s 1.0
Für Druck und Spannung(3 Monate)
≔A5.3m 1.3
Für Druck und Spannung(langzeitig)
≔A5 1.6
Teilsicherheitsfaktoren
Permanente Lasten ≔γF.w 1.35
Variable Lasten (z.B. Druck, Wind, Schnee,...)
≔γF.p 1.50
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Materialeigenschaften ≔γM 1.40
Kombinationswerte
Schneelasten ≔ψ0.s 0.7
Verkehrslasten ≔ψ0.t 0.7
Windlasten ≔ψ0.w 0.6
Die übrigen Kombinationswerte werden als 1.0 angenommen.
Bestimmung der Lasten
Eigengewicht (Dach+Zylinder) ≔W 10
Zusätzliche Dachlast ≔Wadd ⋅1
Schneelast ≔psnow 1 ――2
Verkehrslast ≔ptraffic 1.5 ――2
Kurzzeitiger Überdruck ≔po.s ⋅5 10−3
Kurzzeitiger Unterdruck ≔pl.s ⋅3 10−3
Langzeitiger Überdruck ≔po.l ⋅20 10−3
Langzeitiger Unterdruck ≔pl.l 0
Wind-Staudruck ≔q ⋅0.65 ――2
Unterdruck aus Winddruck ≔pwind =⋅δ q 0.361 ――2
Windmoment ≔MWind =⋅⋅⋅cw q ⎛⎝ +lCyl HR⎞⎠2
―D
211.177 ⋅
Zugehörige axiale Schnittlasten
Eigengewicht (Dach+Zylinder) ≔nW =――W
⋅D1.224 ――
Zusätzliche Dachlast ≔nW.add =――Wadd
⋅D0.122 ――
Schneelast ≔nsnow =―――⋅psnow D
40.65 ――
Verkehrslast ≔ntraffic =――――⋅ptraffic D
40.975 ――
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Kurzzeitiger Überdruck ≔no.s =―――⋅po.s D
40.325 ――
Kurzzeitiger Unterdruck ≔nl.s =―――⋅pl.s D
40.195 ――
Langzeitiger Überdruck ≔no.l =―――⋅po.l D
41.3 ――
Langzeitiger Unterdruck ≔nl.l =――⋅pl.l D
40 ――
Unterdruck aus Winddruck ≔nwind.p =―――⋅pwind D
40.234 ――
Windmoment ≔nwind.M =―――⋅4 MWind
⋅D22.105 ――
Ermittlung der ungünstigsten Kombination - Methode 1
Berechne die axialen Schnittlasten aus:
a) Druck
≔nx.p.d.R ⋅⋅nwind.p A5.s γF.p
=nx.p.d.R 0.352 ――
b) Biegemoment
≔nx.M.d.R ⋅⋅nwind.M A5.s γF.p
=nx.M.d.R 3.158 ――
e) Gewicht des Behälters, Personenlasten, etc.
≔nx.W.d.R ++⋅⋅nW A5 γF.w ⋅⋅nW.add A5 γF.w ⋅⋅⋅ψ0.t ntraffic A5.s γF.p
=nx.W.d.R 3.933 ――
Für Spannungen in der Schale:
≔nx.d.R =++nx.p.d.R nx.M.d.R nx.W.d.R 7.442 ――
Insbesondere ist =――――――――――−⋅⋅no.l A5 γF.p ⋅0.9 ⎛⎝ +nW nW.add
⎞⎠nx.d.R
0.256 , was bedeutet
dass der langzeitige Überdruck nicht berücksichtigt werden muss.
Nachweis für axiale Spannungen: =――――――
⋅f tCyl
⋅⋅⋅⋅γM A1 A2 A3 A4292.286 ―― > =nx.d.R 7.442 ――
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Ermittlung der ungünstigsten Kombination - Methode 2
≔E
⋅⋅nW A5 γF.w⋅⋅nW.add A5 γF.w⋅⋅nsnow A5.3m γF.p⋅⋅ntraffic A5.s γF.p⋅⋅no.s A5.s γF.p⋅⋅nl.s A5.s γF.p⋅⋅no.l A5 γF.p⋅⋅nwind.p A5.s γF.p⋅⋅nwind.M A5.s γF.p
⎡⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎤⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
≔Ψ
―――−0.9
⋅A5 γF.w1 1 1 1 1
―――−0.9
⋅A5 γF.w1 1 1 1 1
0 1 0 ψ0.s 0 1
0 0 1 0 ψ0.t 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1
1 0 0 0 0 0
0 ψ0.w ψ0.w 1 1 0
0 ψ0.w ψ0.w 1 1 0
⎡⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎤⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
=⋅TE Ψ 1.908 6.282 6.477 7.306 7.442 4.469[[ ]] ――
Die axiale Schnittlast, welche nach Methode 1 ermittelt wurde, ist das globale Maximum aller möglichen Kombination. Daher ist die ungünstigste Kombination durch die fünfte Spalte von Ψ gegeben.