Benutzer:Dr. Ludger Bußhaus/Artikelentwurf
Thema des neuen Beitrags: „Flachbodentanks und Berechnung für Standsicherheit + Stabilität“
1. Begriffsdefinitionen und Konstruktionsvarianten
Ein Flachbodentank ist ein stehender zylindrischer Behälter mit einem flachen Boden für die Lagerung flüssiger Stoffe (ein ähnlicher Behälter für die Lagerung von körnigen Stoffen wird als Silo bezeichnet, wobei für die Entleerung anstelle des flachen Bodens eine Aufständerung erforderlich ist).
Die obere Begrenzung des Flachbodentanks kann sehr variabel sein: - die einfachste Form ist ein offener Tank mit einem Verstärkungsring am oberen Ende des
Tank
- möglich ist auch ein offener Tank mit einem auf der Flüssigkeit schwimmenden Abdeckblech
(„Schwimmdachtank“) einschl. einer Randversteifung am freien Rand des Abdeckblechs
- die meisten Flachbodentanks mit einem großen Durchmesser besitzen eine Dachkonstruktion aus
zumeist innen liegenden Gespärreträgern und einem auf den Gespärreträgern liegenden Dachblech zur Abdichtung der Lagerflüssigkeit. Die übliche geometrische Form der Dachkonstruktion kann gewölbt, kegel- oder kugelförmig sein
- bei Flachbodentanks mit einem kleinen Durchmesser sind für die Standsicherheit der
Dachkonstruktion keine Gespärreträger erforderlich
- aus Gründen des Umweltschutzes wird bei umweltschädlichen Lagerflüssigkeiten ein doppelter Boden
und eine Auffangtasse vorgesehen
Für die Beul-Stabilität des Tankmantels infolge eines Betriebsunterdrucks oder infolge des Windaußendrucks werden in der Regel umlaufende ringförmige Beulsteifen angeordnet. Schlanke Flachbodentanks benötigen zur Sicherung der Standfestigkeit infolge des Winddrucks eine Verankerung des Tankmantels. Zum Füllen und Leeren der Flachbodentanks werden Stutzen und Ventile für das Ein- und Auslassen der Flüssigkeit benötigt. Zur Ausrüstung von Flachbodentanks können Unter- und/oder Überdruckventile vorhanden sein. Schwimmdachtanks brauchen für die Begehbarkeit nach einer Leerung Stützen zur Auflagerung des Abdeckblechs.
2. Normen und Richtlinien für die Standsicherheit und Stabilität von Flachbodentanks
[1] DIN EN 1993 Teil 4-2:2007 + AC:2009 + A1:2017
Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 4-2: Tankbauwerke Ausgabe September 2017
[2] DIN EN 1993 Teil 4-2/NA - Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter
Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 4-2: Tankbauwerke Ausgabe Dezember 2018
[3] DIN EN 1993 Teil 1-6:2007 + AC:2009 + A1:2017
Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1-6: Festigkeit und Stabilität von Schalen Ausgabe Juli 2017
[4] DIN EN 1993 Teil 1-6/NA - Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter
Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1-6: Festigkeit und Stabilität von Schalen Ausgabe November 2018
[5] DIN EN 14015
Auslegung und Herstellung standortgefertigter, oberirdischer, stehender, zylindrischer geschweißter Flachboden-Stahltanks für die Lagerung von Flüssigkeiten bei Umgebungstemperatur und höheren Temperaturen Ausgabe 2004
[6] DIN 18800 Stahlbauten
Teil 4: Stabilitätsfälle, Schalenbeulen Ausgabe November 2008
[7] Richtlinie für die Herstellung von Flachbodentanks mit besonderen Anforderungen
(Kurztitel: Richtlinie Flachbodentanks) Vereinbarung 2002/1 zwischen FDBR und VdTÜV (VdTÜV-Merkblatt 960)
[8] DIN 4119
Oberirdische zylindrische Flachbodentanks aus metallischen Werkstoffen Teil 1: Grundlagen, Ausführung, Prüfungen Norm-Vorlage Januar 1989
[9] DIN 4119
Oberirdische zylindrische Flachbodentanks aus metallischen Werkstoffen Teil 2: Berechnung Ausgabe Februar 1980
3. Literatur (wissenschaftliche Fachbücher und Veröffentlichungen in wissenschaftlichen
Fachzeitschriften)
[10] Bußhaus, L. (Dr.-Ing.)
Anwendungs-Beispiele zur DIN EN 1993 Teil 4-2 Flachboden-Tankbauwerke
ISBN 3-4102-3096-3
Beuth-Verlag, Berlin, 2021
[11] Bußhaus, L.
Die Standsicherheit von Flachbodentanks
ISBN 3-8041-4446-2
Werner-Verlag, Düsseldorf, 2002
[12] Bußhaus, L.
Der Beulsicherheitsnachweis für Tankmäntel nach DIN 18800 Teil 4
ISBN 3-8041-4247-8
Werner-Verlag, Düsseldorf, 1998
[13] Herber, K.-H. (Dr.-Ing.)
Bemessung von Rippenkuppeln und Rippenschalen für Tankdächer
Der Stahlbau 25 (1956), Heft 9, Seiten 216-225
[14] Herber, K.-H.
Vorschlag von Berechnungsgrundlagen für Beul- und Traglasten von Schalen
Der Stahlbau 25 (1966), Heft 5, Seiten 142-151
[15] Czerwenka, G. (Dr.-Ing.)
Untersuchungen von dünnen kurzen Zylindern, die durch Ring-Kleinstprofile enger und mittlerer
Teilung verstärkt sind und unter Manteldruck stehen.
Zeitschrift für Flugwissenschaften 9 (1961), Heft 6, Seiten 163-190
[16] Wichmann, K. R., A. G. Hopper and J. L. Mershon
Local Stresses in Spherical and Cylindrical Shells
WRC Bulletin 107, Rev. 3.79
[17] Mershon, J. L., K. Mokhtarian, G. V. Randanpassung and E. C. Rodabaugh
Local Stresses in Cylindrical Shells due to External Loadings
Supplement to WRC 107
WRC Bulletin 297, Rev. I, 9.87
[18] AD 2000-Merkblätter
Hrsg.: Verband der TÜV (VdTÜV)
Beuth-Verlag, Berlin
[19] Bußhaus, L.
Kommentare zur DIN EN 14015
Stahlbau 73 (2004), Heft 11, Seiten 936-938
[20] Bußhaus, L.
Dimensionierung von Flachbodentanks
TÜ 44 (2003), Heft 11-12, Seiten 29-33 und TÜ 45 (2004), Heft 1-2, Seiten 24-28
[21] Bußhaus, L.
Neue Regelwerke für Flachbodentanks
Stahlbau 73 (2004), Heft 8, Seiten 630-636
4. Hinweise zur eventuellen Beschaffung der Fachbücher
Da der Werner-Verlag inzwischen von einem niederländischen Verlag übernommen wurde, ist eine eventuelle Bestellung eines Fachbuchs beim Verlag nicht mehr möglich, so dass der Autor den Vertrieb der Fachbücher [11] und [12] übernehmen musste. Aus dieser Erfahrung hat der Autor auch den Vertrieb des Fachbuchs [10] selber übernommen.
5. Frühere deutsche Regelwerke für Flachbodentanks
Generationen von Berechnungs- und Prüfingenieuren einschließlich der Sachverständigen bei den TÜV‘s haben sich mit der unzureichenden DIN 4119 [8] und [9] abgemüht und auf eine Überarbeitung gedrängt, die zwar in den 1980-er Jahren begonnen, aber im Hinblick auf die zu erwartende Euronorm wieder eingestellt wurde. Deshalb setzten im Jahr 1994 die beiden Verbände FDBR (Fachverband Dampfkessel, Behälter und Rohrleitungen) und VdTÜV (Verband der Technischen Überwachungsvereine) einen AD-Arbeitskreis „Flachbodentanks“ ein, der eine Überarbeitung der DIN 4119 in Form der Richtlinie Flachbodentanks [7] erstellen sollte (der Autor war auch noch als Rentner Mitglied dieses Arbeitskreises), die anschließend als Vorlage bei der Erarbeitung der europäischen Norm DIN EN 1993 Teil 4-2 (1) und (2) diente.
Wie DIN 4119 [8] und [9] wesentlich auf Veröffentlichungen von Dr. Herber [13] und [14] basiert, beruhen viele Teile der Richtlinie Flachbodentanks [7] und damit auch der DIN EN 1993 Teil 4-2 [1] und [2] auf Vorschlägen des Autors. Anders als bei wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird bei Normen die Quelle nicht angegeben.
Im Gegensatz zur DIN 4119, die auf der Theorie der zulässigen Spannungen basiert, beruht die Richtlinie Flachbodentanks auf der Theorie der Grenzzustände, die ab dem Jahr 1990 für den gesamten Stahlbau verbindlich wurde. Dadurch war auch der Verweis der Richtlinie Flachbodentanks bezüglich der Beulsicherheitsnachweise für den Tankmantel auf DIN 18800 Teil 4 [6] möglich.
6. Kritische Kommentierung der alternativen europäischen Norm DIN EN 14015 [5] und [19]
Flachbodentanks unterliegen als Teil einer Tankanlage dem Gewerberecht und als Tankbauwerke dem Baurecht. Daraus ergibt sich, dass der Standsicherheitsnachweis eines Flachbodentanks sowohl einer Technischen Überwachungsorganisation als eine Prüfinstanz für den Anlagenbau (z. B. der TÜV) als auch einem Prüfingenieur für Stahlbau zur Prüfung vorgelegt werden kann.
Aus dieser Zweigleisigkeit und dem starken Interesse sowohl des Anlagenbaus als auch des Stahlbaus an der Erstellung einer eigenen europäischen Norm für Flachbodentanks resultiert die Besonderheit, dass es zwei konkurrierende europäische Normen für Flachbodentanks gibt: DIN EN 1993 Teil 4-2 und DIN EN 14015.
Um eine Konkurrenzsituation zu vermeiden, wurde vor Beginn der europäischen Normungsarbeit zwischen den Vorsitzenden der zuständigen Gremien CEN/TC 250 für DIN EN 1993 Teil 4-2 und CEN/TC 265 für DIN EN 14015, die beide Engländer waren und sich noch dazu persönlich gut kannten, intern eine Aufteilung der Zuständigkeiten vereinbart. Die englische Regierung hatte darauf bestanden, dass beide Vorsitzenden Engländer sein mussten, was von den anderen europäischen Regierungen wohl akzeptiert wurde. Nach der Aufteilung der Zuständigkeiten sollte die Auslegung des Flachbodentanks im CEN/TC 250, also im Ausschuss für die DIN EN 1993 Teil 4-2 erfolgen, und die Gründung, Herstellung, Montage, Prüfung und Ausrüstung sollte im CEN/TC 265, also im Ausschuss für die DIN EN 14015 behandelt werden.
Leider hat sich das CEN/TC 265 im Laufe der Bearbeitung nicht mehr an diese Abmachung gehalten und nach dem Konzept der zulässigen Spannungen einen eigenen Auslegungsteil geschaffen. Dagegen hat das CEN/TC 250 die Vereinbarung respektiert und für die Gründung, Herstellung, Montage, Prüfung und Ausrüstung auf DIN EN 14015 verwiesen.
Da DIN EN 14015 noch auf dem für den Stahlbau veralteten Konzept der zulässigen Spannungen beruht, wird sie in Deutschland bauaufsichtlich nicht eingeführt. Durch die vielen Verweise in der DIN EN 1993 Teil 4-2 auf die DIN EN 14015 wird diese Norm teilweise indirekt anerkannt.
Mit ca. 250 Seiten ist DIN EN 14015 im Vergleich zu anderen europäischen Normen sehr umfangreich. Die Original-Fassung ist in englischer Sprache geschrieben. Die Fassungen in deutscher und französischer Sprache sind vom CEN legitimiert. Trotzdem wurden an einigen Stellen der deutschen Fassung Änderungen vorgenommen, die für die englische Fassung nicht durchzusetzen waren und als Übersetzungsfreiheit angesehen wurden (dies kann für die Wahl einer Fassung als Vertragsgrundlage wichtig sein).
7. Einführung in die DIN EN 1993 Teil 4-2 [1] und [2]
7.1 Neues Nachweiskonzept
Das Nachweiskonzept basiert wie bei allen europäischen Normen vom Eurocode 3 auf der Theorie der Grenzzustände, die schon mit der Normenreihe des deutschen Stahlbaus DIN 18800 und dem damit in Deutschland bereits im Jahr 1990 eingeführten Sicherheits- und Bemessungskonzept der „Grundlagen zur Festlegung von Sicherheitsanforderungen an bauliche Anlagen (GruSiBau)“.
Das Konzept beruht darauf, dass Teilsicherheitsbeiwerte sowohl für die Einwirkungen (früher mit Belastungen bezeichnet) als auch für die Widerstandsgrößen (so nennt man jetzt die Festigkeit und Steifigkeit) eingeführt werden, so dass damit die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen individuell festgelegt werden können. Dabei besteht die Möglichkeit der Verwendung eines Kombinationsbeiwerts, der berücksichtigt, ob von den veränderlichen Einwirkungen nur eine Einwirkung oder alle Einwirkungen in der Einwirkungskombination erfasst werden.
7.2 Regelungsumfang
Da DIN EN 1993 Teil 4-2 sehr stark auf der Richtlinie Flachbodentanks basiert, ist der Regelungsumfang aus deutscher Sicht kaum verbesserungsbedürftig. Für detaillierte Informationen siehe Kapitel 4.3 und 4.4 im Fachbuch [10].
7.3 Ergänzungs- und Korrekturvorschläge
Die Ergänzungs- und Korrekturvorschläge sind so vielfältig, dass sie für eine Enzyklopädie viel zu umfangreich sind. Deshalb wird zur eingehenden Information auf das Fachbuch [10], Kapitel 4.5, verwiesen.
7.4 Druckfehler und inhaltliche Fehler
Von den nach über 15 Jahren immer noch vorhandenen ca. 25 Druckfehlern werden nachfolgend nur die zum Verständnis des Textes unbedingt erforderlichen Korrekturen aufgelistet:
Seite 7: Im dritten Absatz ist der Hinweis auf Kapitel 2.10 zu ändern in 2.9
Seite 15: In Kapitel 1.6.3 sollte der griechische Buchstabe „rho“ für die Dichte der
Flüssigkeitsfüllung von dem Kapitel 7.3.1, Gleichung (7.21), übernommen und
aufgelistet werden
Seite 28: Im Kapitel 4.1.4 (3) ist bei der Anmerkung das zweite Wort „Wert“ zu streichen
Seite 29: In Kapitel 4.2.2.1 (3) ist das Wort „Zuverlässigkeitsklasse“ zu ändern in
„Schadensfolgeklasse“
Seite 43: In Bild 7.3 fehlt die Bezeichnung der Tankachse mit „A“
Seite 45: In Bild 7.4 sind mehrere Korrekturen erforderlich:
In der Bildunterschrift ist „Deckeckring“ in „Dacheckring“ zu ändern
Es fehlen die Gleichungen für die mittragenden Breiten von w-o, w-r und
w-c
Es fehlt die Angabe der Wanddicke t-a des Winkelprofils
Es fehlt die Angabe der mittragenden Breite des Winkelprofils
Seite 48: Der in Bild 7.5 a) mit q-Ed,ma angegebene Winddruck sollte erläutert werden
Seite 49: min (a-j * t-j) ist nicht der „Mindestwert“, sondern der „minimale Wert“ entlang
der Höhe H
Seite 51: In Gleichung (7.38) muss die Variable „p“ersetzt werden durch die Dichte der
Flüssigkeitsfüllung „rho“
Auch die ausführliche Benennung der inhaltlichen Fehler einschließlich der detaillierten Beweisführung und der teilweise erforderlichen Herleitung der korrekten Gleichungen ist für eine Enzyklopädie viel zu aufwändig. Deshalb wird auf das Fachbuch [10] verwiesen, in dem diese Fehler zum Teil sehr umfangreich behandelt und nachgewiesen werden (siehe die zwei Kapitel 4.5 und 4.6 in diesem Fachbuch).
8. Abschließende Bemerkungen
Mit den beiden neuen Vorschriften „Richtlinie Flachbodentanks“ und „DIN EN 1993 Teil 4-2 Flachbodentanks“ gibt es endlich zwei umfangreiche Regelungen für die fast komplette Auslegung eines Flachbodentanks, so dass damit die vielen Diskussionen mit TÜV-Sachverständigen und mit Prüfingenieuren unterbleiben können.--Dr. Ludger Bußhaus (Diskussion) 22:47, 21. Jun. 2022 (CEST)--Dr. Ludger Bußhaus (Diskussion) 21:44, 22. Jun. 2022 (CEST)--Dr. Ludger Bußhaus (Diskussion) 22:26, 25. Jun. 2022 (CEST)
