Blog

Jul 18, 2023

Siloausfälle: Fallgeschichten und gewonnene Erkenntnisse von Dr. John W. Carson

23. März 2023 | Von Jenike & Johanson Gesponsert von Silos und Behälter fallen häufiger aus als bei fast allen anderen Industrieanlagen. Manchmal liegt der Fehler nur in einer Verzerrung

23. März 2023 | Von Jenike & Johanson

Gefördert durch

Silos und Behälter fallen häufiger aus als bei fast allen anderen Industrieanlagen. Manchmal handelt es sich bei dem Ausfall lediglich um Verformungen oder Verformungen, die zwar unansehnlich sind, aber kein Sicherheits- oder Betriebsrisiko darstellen. In anderen Fällen führt ein Versagen zum vollständigen Einsturz der Struktur mit dem damit einhergehenden Nutzungsverlust und sogar dem Verlust von Menschenleben.

Präsentiert werden zahlreiche Fallbeispiele zu strukturellem Versagen, die häufige Fehler sowie Grenzen der Konstruktion veranschaulichen.

Obwohl keine Statistiken verfügbar sind, kommt es jedes Jahr zu einem gewissen Grad an Ausfällen bei Hunderten von Silos, Behältern und Trichtern in der Industrie und in der Landwirtschaft. [1-3] Manchmal ist das Scheitern ein völliger und dramatischer struktureller Zusammenbruch. In anderen Fällen ist der Fehler nicht so dramatisch oder so offensichtlich. Beispielsweise können sich Risse in einer Betonwand oder Dellen in einer Stahlhülle bilden, die für den zufälligen Betrachter harmlos erscheinen. Dennoch handelt es sich um Gefahrensignale, die darauf hindeuten, dass möglicherweise Korrekturmaßnahmen erforderlich sind.

Die wirtschaftlichen Kosten eines Siloausfalls sind nie gering. Der Eigentümer muss mit den unmittelbaren Kosten für Produktionsausfälle und Reparaturen rechnen, das Personal in der Umgebung ist erheblichen Gefahren ausgesetzt und der Planer und der Bauunternehmer müssen sich aufgrund ihrer Haftungsrisiken mit möglichen Rechtsstreitigkeiten konfrontiert sehen.

Die Hauptursachen für Siloausfälle sind auf Mängel in einer oder mehreren der vier Kategorien zurückzuführen: Design, Bau, Nutzung und Wartung. Im Folgenden wird jedes dieser Themen anhand von Beispielen und gewonnenen Erkenntnissen erläutert.

Die Silokonstruktion erfordert Fachwissen. Der Konstrukteur muss zunächst die Fließeigenschaften des Materials festlegen [4] und dann Aspekte wie die Geometrie des Strömungskanals, die Strömungs- und statische Druckentwicklung sowie dynamische Effekte berücksichtigen. Probleme wie Rattenbildung und selbstinduzierte Silovibrationen müssen verhindert und gleichzeitig eine zuverlässige Entleerung mit der erforderlichen Geschwindigkeit gewährleistet werden. Ungleichmäßige Belastungen, thermische Belastungen und die Auswirkungen nicht standardmäßiger Fertigungsdetails müssen berücksichtigt werden. Vor allem muss der Designer wissen, wann er angesichts unvollständiger oder irreführender Informationen, Empfehlungen aus Handbüchern oder von Menschen mit dem „Das hat man schon immer so gemacht“-Syndrom vorsichtig sein muss.

Abb. 1: Ungleichmäßige Drücke durch exzentrischen Rückzug

Nachdem die Entwurfskriterien festgelegt wurden, muss ein kompetenter Entwurf folgen. Hier muss der Konstrukteur die Lastkombinationen, Lastpfade, primären und sekundären Auswirkungen auf Strukturelemente sowie die relative Flexibilität der Elemente vollständig kennen. [5,6] Besonderes Augenmerk muss darauf gelegt werden, wie die kritischsten Details der Struktur konstruiert werden, damit die vollständigen Anforderungen und Absichten des Entwurfs verwirklicht werden.

Im Folgenden werden fünf der häufigsten Probleme beschrieben, die Designer häufig ignorieren, zusammen mit einigen Beispielen für jedes.

Dies ist eine der häufigsten Ursachen für strukturelle Probleme im Silo, da es so oft übersehen wird. Dies entsteht, wenn der Entnahmepunkt aus dem Trichter nicht auf der vertikalen Mittellinie eines kreisförmigen Silos liegt [7,8] und tritt besonders häufig auf, wenn Silos mit mehreren Trichtern verwendet werden, bei denen jeweils nur einer oder zwei der Trichterauslässe genutzt werden Zeit. Wenn der resultierende Strömungskanal die Silowand schneidet, entstehen ungleichmäßige Drücke am Umfang des Silos, die zu horizontalen und vertikalen Biegemomenten führen. Siehe Abbildung 1. Viele Silokonstrukteure erklären diese ungleichmäßigen Drücke fälschlicherweise dadurch, dass sie nur die Bandspannung erhöhen. [9,10]

Einige Beispiele:

Abb. 2: Schneckenförderer mit konstanter Steigung verursachte exzentrischen Rückzug

Ein Mischsilo nutzte 24 Außenrohre, um Kunststoffpellets in verschiedenen Höhen aus den Zylinder- und Kegelabschnitten zu entnehmen. Im Zylinderbereich über mehreren Röhren bildeten sich deutliche Falten. Die Lektionen, die hier gelernt werden müssen, sind:

Stützbalken, umgekehrte Kegel, Mischrohre und andere Arten von Einbauten können große konzentrierte Lasten und/oder asymmetrische Drücke auf eine Silowand ausüben, was zu unzulässigen Biegespannungen führt.

Zwei Beispiele:

Gewonnene Erkenntnisse:

Abb. 3, Vergleich der Wandnormaldrücke aufgrund der angenommenen Trichterströmung und des tatsächlichen Massenstroms

Manchmal entsteht ein Massenfluss in Silos, die baulich für den Trichterfluss ausgelegt sind. [4] Selbst wenn dies nicht geschieht, kann die lokale Druckspitze, die dort entsteht, wo ein Trichterströmungskanal eine Silowand schneidet, verheerende Folgen haben. [6]

Unter Umständen kann es schlimmer sein, die Eigenschaften des zu lagernden Schüttguts zu ignorieren, als von einem falschen Fließverhalten auszugehen. Denken Sie beispielsweise an den Entwurf eines Stahlsilos zur Lagerung von Kohle. Fehlt eine Kohleprobe, die als Grundlage für die Konstruktion getestet werden könnte, greift der Konstrukteur möglicherweise auf einen häufig zitierten Konstruktionscode [12] zurück, der den Wandreibungswinkel für „Kohle auf Stahl“ auflistet, ohne Rücksicht auf die Art der Kohle , seine Feuchtigkeit, Partikelgröße, Aschegehalt oder die Art des Stahls, seine Oberflächenbeschaffenheit usw. Strömungs- und Strukturprobleme treten häufig auf, wenn dieser Entwurfsansatz gewählt wird.

Zwei Beispiele:

Gewonnene Erkenntnisse:

Abb. 4, Vergleich der Wandnormaldrücke aufgrund angenommener hoher Wandreibung und tatsächlich niedriger Reibung

Viele Silos bestehen aus verschraubten Metallpaneelen (normalerweise Stahl oder Aluminium), andere aus Stahlbeton. Für beide Bauarten gelten besondere gestalterische Anforderungen.

Schraubenverbindungen übertragen Lasten über verschiedene Lastpfade und können in mindestens vier verschiedenen Modi versagen: Schraubenscherung, Nettoquerschnittsspannung, Lochausriss und Stapelung um Schraubenlöcher herum. Welcher Modus zu der geringsten Versagenslast führt, hängt von den Besonderheiten des Metalls (z. B. seiner Streckgrenze und Endfestigkeit, Dicke), den Schrauben (z. B. Größe, Festigkeit, ob Vollgewinde oder nicht, wie hoch das Drehmoment) und dem Abstand zwischen den Schraubenlöchern ab , Anzahl der Schraubenreihen usw. [14-16]

Auch Druckknicken muss berücksichtigt werden, insbesondere wenn der verschraubte Silo gewellte Wände hat oder aus Aluminium besteht.

Der Stahlbetonbau weist unterschiedliche Probleme auf [17,18]. Beton hat eine starke Kompression, aber eine sehr schwache Spannung. Daher wird Bewehrungsstahl verwendet, um Zugspannungen standzuhalten. Ein Silo, das nur aus einer einzigen Schicht horizontalen Bewehrungsstahls besteht, kann der Ringspannung standhalten, weist jedoch nur eine sehr geringe Biegefestigkeit auf. Wenn daher ungleichmäßige Drücke auftreten (z. B. aufgrund eines exzentrischen Strömungskanals), ist es wahrscheinlich, dass das Silo reißt. Leider treten an der Innenseite der Silowand, wo Risse nur schwer zu erkennen sind, die größten Zugspannungen aufgrund der Biegung am häufigsten auf. Unentdeckte Risse können weiter wachsen, bis das Silo kurz vor dem Einsturz steht.

Ein Beispiel:

Gewonnene Erkenntnisse:

Die Wände von Außensilos aus Metall können sich tagsüber ausdehnen und nachts zusammenziehen, wenn die Temperatur sinkt. Wenn kein Austrag stattfindet und das Material im Silo frei fließt, setzt es sich bei der Ausdehnung des Silos ab. Allerdings kann es beim Zusammenziehen der Silowände nicht wieder nach oben gedrückt werden, so dass es der Kontraktion Widerstand leistet, was wiederum zu erhöhten Zugspannungen in der Wand führt. Dieses Phänomen, das sich jeden Tag wiederholt, wenn das Material ruht, wird als thermische Ratcheting bezeichnet. [19-23]

Ein weiterer ungewöhnlicher Belastungszustand kann auftreten, wenn Feuchtigkeit zwischen stagnierenden Partikeln oder Massen stagnierender Partikel wandert, die sich ausdehnen, wenn ihnen Feuchtigkeit hinzugefügt wird. Geschieht dies, während kein Material abgezogen wird, wird die Aufwärtsexpansion stark eingeschränkt. Daher muss der größte Teil der Ausdehnung in der horizontalen Ebene erfolgen, was zu deutlich erhöhten seitlichen Drücken auf die Silowände und Ringspannungen in den Silowänden führt.

Zwei Beispiele:

Gewonnene Erkenntnisse:

In der Bauphase gibt es zwei Möglichkeiten, wie Probleme entstehen können. Am häufigsten kommt es zu mangelhafter Verarbeitung. Fehlerhafte Konstruktionen wie die Verwendung falscher Materialien oder unzureichende Bewehrung sowie ungleichmäßige Fundamentsetzungen sind nur zwei Beispiele für ein solches Problem.

Die andere Ursache für Bauprobleme ist die Einführung schlecht gewählter oder sogar unbefugter Änderungen während des Baus, um die Arbeiten zu beschleunigen oder die Kosten zu senken.

Eine genaue Prüfung der Arbeit der Auftragnehmer ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Designvorgaben eingehalten werden. Dazu gehört die Überprüfung der Verwendung der richtigen Schrauben (Größe, Stärke usw.), der richtigen Größe und des richtigen Abstands der Bewehrungsstäbe, der angegebenen Art und Dicke der Silowände usw.

Ein Beispiel:

Gewonnene Erkenntnisse:

Die Fundamentkonstruktion für Silos unterscheidet sich nicht wesentlich von der für andere Bauwerke. Dadurch kommt es selten zu ungleichmäßiger Besiedlung. Wenn es jedoch dazu kommt, können die Folgen katastrophal sein, da der Schwerpunkt der Masse normalerweise weit über dem Boden liegt.

Beispiel:

Gewonnene Erkenntnisse:

Unbefugte Veränderungen während der Bauphase können eine Gefahr für die Silokonstruktion darstellen. Scheinbar kleine Details sind oft wichtig, um ein bestimmtes Strömungsmuster (insbesondere Massenfluss) sicherzustellen oder der Struktur zu ermöglichen, den aufgebrachten Lasten standzuhalten.

Beispiel:

Gewonnene Erkenntnisse:

Ein richtig konzipierter und gebauter Silo sollte eine lange Lebensdauer haben. Leider ist dies nicht immer der Fall. Probleme können auftreten, wenn sich die Fließeigenschaften des Materials ändern, sich die Struktur durch Verschleiß verändert oder ein explosionsfähiger Zustand entsteht.

Wenn in einem Silo ein anderes Schüttgut eingefüllt wird als das, für das das Silo ausgelegt ist, kann es zur Bildung von Hindernissen wie Bögen und Schlupflöchern kommen und das Strömungsbild und die Belastungen können völlig anders ausfallen als erwartet. Auch durch Änderungen an der Auslaufgeometrie, den Einbau eines Seitenauslaufs in ein Mittelaustragssilo oder den Einbau eines strömungsregulierenden Einsatzes bzw. einer Verengung lässt sich die Lastverteilung grundlegend verändern. Über die Auswirkungen solcher Änderungen sollte vor der Umsetzung der Konstrukteur oder ein Siloexperte konsultiert werden.

Wenn ein schlecht fließendes Material in ein Silo gegeben wird, das nicht für die Lagerung und Handhabung ausgelegt ist, kommt es wahrscheinlich zu Flussunterbrechungen aufgrund von Wölbungen oder Rattenbildung. Manchmal lösen sich diese Hindernisse von selbst, aber häufiger müssen die Bediener auf verschiedene (manchmal drastische) Mittel zurückgreifen, um sie zu beseitigen. Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, können die resultierenden dynamischen Belastungen beim Versagen eines Bogens oder eines Rattenlochs zum Einsturz des Silos führen. [26]

Auch selbsterregte Siloschwingungen können zu erheblichen dynamischen Belastungen führen, für die die meisten Silos nicht ausgelegt sind. [27,28] Darüber hinaus können, wenn überhaupt, nur wenige Silos den durch eine Explosion verursachten Belastungen standhalten – weder intern noch extern.

Zwei Beispiele:

Gewonnene Erkenntnisse:

Veränderte Materialeigenschaften oder eine Politur der Innenoberfläche des Silos können dazu führen, dass sich in einem Silo, das baulich für Trichterströmung ausgelegt ist, ein Massenfluss entwickelt. (Das Gegenteil kann auch auftreten – Trichterströmung in einem Silo, das strukturell für Massenströmung ausgelegt ist – aber das stellt im Allgemeinen kein so ernstes Problem dar.) Massenströmung führt zu einer deutlich anderen Wanddruckbelastung als bei Trichterströmung, insbesondere an der Oberseite den Trichterabschnitt.

Zwei Beispiele:

Abb. 5, Endergebnis des Massenstroms, der sich in einem Silo entwickelt, das strukturell für Trichterfluss ausgelegt ist

Gewonnene Erkenntnisse:

Ein unter Druck stehender Zylinder ist widerstandsfähiger gegen Druckknicken als ein druckloser. [9] Wenn dieser Druck außerdem durch ein Schüttgut (im Gegensatz zu einer Flüssigkeit oder einem Gas) verursacht wird, ist es noch widerstandsfähiger. Der Grund dafür ist folgender: Der Gas- oder Flüssigkeitsdruck ist am Umfang eines Silos konstant und bleibt unverändert, wenn sich das Silo zu verformen beginnt. Andererseits erhöht sich der Druck, den ein Schüttgut auf die Wand eines Silos ausübt, dort, wo sich die Wände nach innen verformen, und nimmt dort ab, wo die Wände sich ausdehnen. Dies sorgt für einen erheblichen Rückhalteeffekt, sobald das Knicken beginnt.

Überlegen Sie nun, was passiert, wenn sich über dem Zylinderabschnitt eines Silos ein Bogen bildet und darunter liegendes Material abgezogen wird. Dabei geht nicht nur die Rückhaltewirkung des Schüttgutes verloren, sondern auch das gesamte Gewicht des Siloinhalts oberhalb des Bogens wird auf den nun nicht mehr unterstützten Bereich der Silowände übertragen. In diesem Fall ist ein Knickversagen wahrscheinlich.

Beispiel:

Gewonnene Erkenntnisse:

Die Wartung eines Silos liegt in der Verantwortung des Eigentümers oder Benutzers und darf nicht vernachlässigt werden. Es sind zwei Arten von Wartungsarbeiten erforderlich. Bei der ersten handelt es sich um die regelmäßigen vorbeugenden Maßnahmen, beispielsweise die regelmäßige Inspektion und Reparatur der Wände und/oder der Auskleidung, die zur Strömungsförderung, zum Schutz der Struktur oder zu beidem verwendet werden. Der Verlust einer Auskleidung kann bei einem abrasiven oder korrosiven Produkt unvermeidbar sein, dennoch ist es notwendig, die Auskleidung in ordnungsgemäßem Betriebszustand zu halten, wenn das Silo wie vorgesehen funktionieren soll. Weitere Beispiele für vorbeugende Wartungselemente sind Dachentlüftungen, Füllstandssonden, Zuleitungen, Ableitungen und Tore.

Der zweite Bereich der Instandhaltung besteht darin, nach Anzeichen von Beeinträchtigungen zu suchen (z. B. Risse, Wandverformungen, Schiefstellungen der Struktur) und darauf zu reagieren. [29] Treten Hinweise auf ein Problem auf, sollte umgehend fachkundige Hilfe hinzugezogen werden. Eine unangemessene Reaktion auf ein Anzeichen dafür, dass etwas schiefläuft, einschließlich des allgemeinen Instinkts, den Füllstand des Silos zu senken, kann dazu führen, dass ein Fehler schneller und möglicherweise schwerwiegender auftritt.

Durch Korrosion oder Erosion ausgedünnte Silowände halten den auftretenden Belastungen weniger stand als im Neuzustand. Dies ist ein besonderes Problem beim Umgang mit abrasiven Materialien oder bei der Verwendung von Kohlenstoffstahlkonstruktionen in feuchten oder anderweitig korrosiven Umgebungen. Die Kombination der Auswirkungen von Abrieb und Korrosion beschleunigt das Problem erheblich. Dies kann beispielsweise bei speziellen Alterungsstählen vorkommen. Durch abrasiven Verschleiß wird die Oberflächenschicht abgetragen, wodurch neues Material freigelegt und der Alterungsprozess beschleunigt wird, der die Struktur erheblich schwächt.

Drei Beispiele:

Gewonnene Erkenntnisse:

Siloausfälle verursachen häufig erhebliche Schäden und führen manchmal zum Tod. Oftmals hätten diese Ausfälle mit Informationen, die durch Routineinspektionen hätten gewonnen werden können, verhindert oder der Schaden minimiert werden können.

Beispiel:

Gewonnene Erkenntnisse:

Eine häufige Reaktion auf Anzeichen von Siloproblemen besteht darin, sie zu ignorieren, oft weil sich die Mitarbeiter weder der Bedeutung noch der Folgen eines solchen Verhaltens bewusst sind. Eine weitere häufige Reaktion ist Neugier. Menschen haben ihr Leben verloren, weil sie aufgrund ihrer Neugier zur falschen Zeit am falschen Ort waren. Auch wenn Gefahrenzeichen erkannt werden, kommt es häufig vor, dass unangemessene Maßnahmen ergriffen werden, um die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls zu „verringern“. In einigen extremen Fällen kam es zu einem katastrophalen Ausfall, bei dem der Schaden bei entsprechenden Maßnahmen relativ gering gewesen wäre.

Zwei Beispiele:

Gewonnene Erkenntnisse:

Silos, die ordnungsgemäß entworfen, gebaut, betrieben und gewartet werden, gewährleisten eine lange Lebensdauer. Jede der oben aufgeführten Fallbeispiele veranschaulicht die Auswirkungen eines oder mehrerer möglicher Mängel in Design, Bau, Nutzung und Wartung. In jedem Beispiel beliefen sich die Kosten für Reparaturen oder Umbauten, die Kosten für Rechtsstreitigkeiten und die Kosten für die Versicherung auf ein Vielfaches der Kosten, die für die ordnungsgemäße Ausführung der Arbeiten überhaupt anfielen.

Der beste Ansatz für die Gestaltung eines Silos, Behälters oder Trichters für Schüttgüter ist ein durchdachter, gründlicher, konservativer Ansatz, der auf gemessenen Parametern basiert. Konstrukteure genießen keinen rechtlichen Schutz durch die Einhaltung eines Verhaltenskodex. Die Einhaltung der vor Ort geltenden Vorschriften ist natürlich notwendig, sie sollte jedoch niemals allein als ausreichende Bedingung für die Leistung eines zufriedenstellenden Entwurfs angesehen werden.

Es liegt in der Verantwortung des Konstrukteurs, sicherzustellen, dass der Entwurf auf fundierten und vollständigen Kenntnissen der verarbeiteten Materialien basiert, dass der Entwurf kompetent ist und alle vorhersehbaren Belastungskombinationen abdeckt. Es liegt in der gemeinsamen Verantwortung des Planers, des Bauherrn und des Eigentümers, dass die Konstruktion einen akzeptablen Standard aufweist und die Absicht des Entwurfs erfüllt. Es liegt dann in der Verantwortung des Eigentümers, die strukturellen und mechanischen Komponenten ordnungsgemäß zu warten. Es liegt auch in der Verantwortung des Eigentümers, sicherzustellen, dass vor jeder beabsichtigten Änderung der Nutzung, der Auslassgeometrie oder -hardware, des Auskleidungsmaterials oder anderer spezifizierter Parameter eine Entwurfsprüfung mit erforderlichen Verstärkungen durchgeführt wird.