Beschreibung
In diesem Modell wird vereinfacht die Tragstruktur eines Erdbehälters mit einem Durchmesser von 3 Metern abgebildet. Dieser besteht aus zwei 8 m langen Kammern, welche in der Mitte mittels eines Revisions- und Installationsraums verbunden sind. An diesem ist ein Einstiegsschacht angebracht, der bis zur Geländeoberkante führt. Die Geländeoberkante liegt zwei Meter oberhalb des Behälters.
Der Tank besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff und Profilen aus nichtrostendem Stahl. Diese Materialien wurden mittels orthotrop plastischem beziehungsweise isotrop plastischem Materialverhalten abgebildet.
Bettung
Für die Bettung wurden vereinfacht konstante Flächenfedern an der oberen und unteren Hälfte des Behälters angenommen. Die Berechnung erfolgte nach dem modifizierten zweiparametrischen Bettungsmodulverfahren nach Pasternak. Die Einflusstiefe wurde mit 2,4 m bestimmt. An der Oberseite wurde die Bettungsdicke anhand der Überschüttung (2 m) festgelegt. Zusätzlich erfolgte hier eine Verminderung der Federsteifigkeit um 50 %. Grund hierfür sind Einflüsse aus der gestörten Lagerung durch die Nähe der Geländeoberkante sowie einer angenommenen nicht vollständigen Verdichtung beim Einbau. Das nachfolgende Bild zeigt die Darstellung der Koeffizienten der elastischen Bettung in z-Richtung, sowie den zugehörigen Eingabedialog der an der unteren Hälfte angesetzten Bettungsparameter.
Weitere Informationen zur Modellierung der Boden-Bauwerk-Interaktionen sind unter dem nachfolgenden Handbucheintrag aufgeführt. Hier sind ebenfalls genauere Verfahren zur Bestimmung der Wechselwirkung zwischen Struktur und Boden aufgezeigt.
Erddruck
Der auf den Behälter einwirkende Erddruck ergibt sich aus der Wichte des umliegenden Bodens und nimmt mit der Tiefe zu. Die Verteilung kann hierbei als linear angenommen werden, beginnend mit keiner Last an der Geländeoberkante. Die Aufbringung erfolgte in den drei globalen Hauptrichtungen auf die Außenwände des Behälters. Nachfolgendes Bild illustriert die Lastaufbringung des Eigengewichts des Erdreichs.
Füllung
Die zwei Behälterkammern wurden unabhängig voneinander mit dem aus der Flüssigkeitsfüllung ergebenden hydrostatischen Druck belegt. Dieser ergibt sich aus der Wichte der Flüssigkeit und der Füllhöhe, nimmt linear mit der Tiefe zu und wirkt senkrecht auf die Behälterwand.
Weitere Informationen zum hydrostatischen Druck auf Behälterstrukturen können dem nachfolgenden Fachartikel entnommen werden:
Auftrieb
Auftrieb aus anstehendem Grundwasser
Für diesen Fall wird davon ausgegangen, dass der Behälter zeitweise bis zur Hälfte im Grundwasser liegt. Die Gesamtlast aus Auftrieb ergibt sich nach dem Archimedischen Prinzip aus der Masse des verdrängten Wassers. Ihre Wirkung ist der Erdbeschleunigung entgegengerichtet. Die resultierende Kraft wirkt somit in unserem Modell in der negativen z-Richtung. Zusätzlich erfolgt hier eine Lastverteilung auf die projizierte Fläche und es wird von einer linear in Z zunehmenden Belastung ausgegangen. Dies sollte, auf der sicheren Seite liegend, zu einer Überschätzung der Belastung und einer erhöhten Ovalisierung des Tanks führen. Die nachfolgende Formel zeigt die für diese Annahmen ermittelte Flächenlast unter konstanter Verteilung. Die Eingabe ist in dem darunter gezeigten Bild dargestellt.
Veränderung des Erddrucks aus anstehendem Grundwasser
Durch die zeitweise Änderung des Grundwasserspiegels, ändert sich ebenfalls die Belastung, welche sich aus dem anstehen Boden ergibt. Nachfolgende Formel zeigt die Ermittlung dieser Änderungslast. Das darauf folgende Bild zeigt die zugehörige Belastungsverteilung und die Änderungsanteile über die Tiefe.
Optimierung
In der nachfolgenden Abbildung sind die Optimierungseinstellungen sowie die zugehörigen parametrisierten Abmessungen der Tragstruktur dargestellt, die zur Optimierung ausgewählt wurden. Durch die markierte Schaltfläche "OK & alles berechnen" lassen sich die Optimierungsmutationen berechnen.
Abschließenden Anmerkungen
Boden-Bauwerk-Interaktion
Für eine realitätsnahe Abbildung der Interaktion zwischen Struktur und umliegendem Boden wäre der Ansatz des Bodens als 3D-Volumen und eines nichtlinearen Materialverhaltens nötig. Weitere Informationen sind im Handbuch zum Add-On Geotechnische Analyse unter den nachfolgenden Links verfügbar:
- Online-Handbücher RFEM 6 | Geotechnische Analyse | Materialien vom Typ Boden
- Online-Handbücher RFEM 6 | Geotechnische Analyse | Typ der Bodenabbildung | 3D | Finite-Elemente-Methode
Stabilität/Beulen
Auf die Aufbringung von Imperfektionen und den Nachweis gegen Stabilitätsversagen wurde in diesem Artikel verzichtet. Der Nachweis mittels der GMNIA-Methode wäre hier jedoch aufgrund der bereits angesetzten nichtlinearen Materialien unproblematisch möglich. Weitere Informationen hierzu sind im folgenden Fachartikel und Webinar verfügbar: