Silos – einfach in der Konstruktion, schwierig in der Berechnung

Die Konstruktion von Silos ist vergleichsweise einfach, schwierig hingegen die genaue Berechnung jener Drücke, die die in einem Silo lagernden Schüttgüter beim Ausfließen auf die Innenwände ausüben. Eine entsprechend hohe Schadensrate – vor allem durch Rissbildung im Beton – zeugt von dieser Schwierigkeit, genaue Tragwerksberechnungen vorzunehmen.

Sie liegt bei Silos etwa um das Tausendfache höher als bei Häusern, Bürogebäuden und Industrieanlagen. Wissenschaftler der TUHH haben ein Modell entwickelt, das es erstmals erlaubt, das Verhalten der Schüttgüter beim Ausfließen im Silo numerisch zu simulieren.

Damit können die bei diesem Vorgang entstehenden außerordentlich hohen Drücke auf die Innenwände eines Silos erstens genau und zweitens unabhängig von deren geometrischer Form – rund, rechteckig, quadratisch – berechnet werden. Die neuen Erkenntnisse des Instituts für Massivbau finden weltweit in der Fachwelt Beachtung, speziell bei Silobetreibern und Konstrukteuren

Zuvor konnten die Wanddrücke nur von außen gemessen werden. Außerdem gehen bisherige Rechenansätze vereinfachend von einem gleichförmigen Wanddruck aus. Die Forschungsergebnisse der TUHH hingegen zeigen deutlich, dass diese Annahme nicht auf den Vorgang des Entleerens eines Silos zutrifft. Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsvorhabens entwickelten Prof. Dr.-Ing. Günter Axel Rombach und sein Team u.a. im Auftrag der Deutschen Forschungsgemeinschaft ein auf der Finite-Elemente-Methode basierendes numerisches 3D-Rechenprogramm, welches die komplexen Vorgänge in einem beliebigen Silo realitätsnah simuliert.

Das Ausfließen von Schüttgut aus einem Silo ist ein hoch dynamischer Vorgang und sehr komplex: Es führt zu einer extrem wechselnden Beanspruchung der Konstruktion. „Dabei entsteht ein so genanntes Druckgewölbe, das enorm hohe Druckspitzen auf Teilbereiche der Innenwände auslöst“, sagt Rombach. Dort, wo das Schüttgut aus dem Silo fließt – in der Regel durch eine Öffnung im Boden – reduziert sich der Druck in dieser Umgebung nahezu auf Null. Zeitgleich entstehen enorm hohe Druckspitzen auf andere Teilbereiche (siehe Grafik II) der Innenwände, welche abhängig von den Behälterabmessungen und dem Schüttgut bis zu 20 Tonnen pro Quadratmeter betragen können.