Fachbeiträge & Interviews
Donnerstag, 24. September 2020
Ausgabe 6975 | Nr. 268 | 20. Jahrgang
Autor: Dr.-Ing. Joachim Klein & Dipl.-Ing. Dietmar Gärtner
Herausgeber: Deutsche Montan Technologie GmbH - DMT-Fachstelle für Baustatik email-weiterempfehlendruckansicht

Anwendung der Finite-Element-Methode bei Temperaturproblemen

# 01.10.2003

Waren es in der Anfangszeit noch überwiegend die festigkeitsmechanischen Ingenieurprobleme, so wurden im Laufe der FE-Entwicklung immer mehr sogenannte nichtlineare Problemstellungen mit der Finite-Elemente-Methode erfolgreich bearbeitet. Neben den festigkeitsmechanischen Analysen gehören die Strukturbilder aus anderen Berechnungen, wie von Wärme- oder Strömungsfeldern, Stabilitätsanalysen oder Umformungsprozessen und insbesondere von Crashsimulationen im Automobilbau heute zum Stand der Technik. Die Computersimulation im Industriebau ist auch ein Schwerpunkt der Dienstleistungen der DMT-Fachstelle für Baustatik, Essen, wobei stellvertretend für die bisherige Einsatzbreite diesmal Projekte mit Temperaturproblemen vorgestellt werden.

Abb. 1 – Temperaturverteilung um ein Gefrierrohr Abb. 1 – Temperaturverteilung um ein Gefrierrohr

Ob eiskalt oder brennend heiß, in allen Fällen ist der Griff zur FEM zielführend. So z.B. bei der Bodenvereisung, die beim Bau der Verkehrsanlagen im Zentralen Bereich Berlin der DB Projekt Bau GmbH der Deutschen Bahn AG (www.bahn.de) für verschiedene Einsatzfälle zum Zuge kam. Das Gefrierverfahren ist kostenintensiv und erfordert eine genaue Bilanzierung der notwendigen Kältemengen. Insbesondere der Anlaufvorgang, also die sogenannte Schließzeit (Abb. 1) zwischen den einzelnen Gefrierrohren, lässt sich numerisch gut nachbilden.

Abb. 2 – Temperaturfeld um U-Bahntunnel Abb. 2 – Temperaturfeld um U-Bahntunnel

Mit der GuD Consult GmbH, Berlin,(www.gudconsult.de) durchgeführte Untersuchungen für einen Tunnel in Berlin betrafen ebenfalls Vereisungsmaßnahmen. Durch numerische Berechnungen (Abb. 2) wurden die Veränderungen der Temperaturen im oberflächennahen Grundwasserbereich abgeschätzt. Die instationären thermischen Analysen dienten der Bestimmung der Temperaturverteilung unter Beachtung ökologischer Aspekte. Bei diesen transienten thermischen Analysen, also in Abhängigkeit von der Zeit, wurden die ortspezifischen Lufttemperaturen über die Jahreszeiten zusätzlich berücksichtigt.

Abb. 3 - Containeranlagen / Abfallsammelstellen nach TRGS Abb. 3 - Containeranlagen / Abfallsammelstellen nach TRGS

Ein weiteres Einsatzgebiet einer kombinierten thermischen und statischen Berechnung stellt die Standsicherheitsuntersuchung von Brandschutzcontainern (www.denios.de) dar. Diese Container (Abb. 3/4) stellen eine definierte Brandschutzbarriere dar und werden von der DMT-Fachstelle für Baustatik auf ihre Standsicherheit in gewöhnlichen Lastfällen und außergewöhnlichen Brandlastfällen untersucht. Mit diesen statischen Untersuchungen auf numerischer Basis liefert die DMT-Fachstelle für Baustatik für verschiedene Auftraggeber einen wesentlichen Baustein für das behördliche Genehmigungsverfahren.

Abb. 4 – Brandschutzcontainer Abb. 4 – Brandschutzcontainer

In einem weiteren Anwendungsbeispiel für eine kombinierte thermisch-statische Betrachtung war der Wunsch des Auftraggebers (www.modernfuels.de), die Standzeit eines Kokereibauteils im Einsatz zu erhöhen. Die DMT-Fachstelle für Baustatik bewertete den Ist-Zustand sowie den Zustand von möglichen optimalen Konfigurationen einer sogenannten Planierstange, einem Kokereibauteil, das an zentraler Stelle im Koksofen hohen Temperaturen in zyklischer Wechselwirkung ausgesetzt ist (Abb. 5).

Abb. 5  - System-Planierstange Abb. 5 - System-Planierstange

Durch die FE- Analyse konnte ein optimales Abkühlverhalten und eine Minimierung von bleibenden Verformungen infolge thermischer Zwängungen erzielt werden. Die erfolgreichen Modifikationen führten zu einem verschleiß- und verformungsärmeren Verhalten des Bauteils im harten Kokereibetrieb.

Im März zeigten wir Ihnen bereits unsere FE-Anwendungen im Behälterbau , in diesem Beitrag geht es um die Computersimulation von Temperaturproblemen und in einem nächsten Fachaufsatz im bauingenieur24 werden wir geotechnische Fragestellungen fokussieren.

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