Strukturanalyse einer Einschleuswanne

Eine Einschleuswanne für Prüfkörper sollte mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode hinsichtlich der auftretenden Verformungen und Spannungen bei verschiedenen Belastungssituationen analysiert und gegebenenfalls optimiert werden. 

Je nach Durchmesser und Konfiguration der Prüfkörper musste die Wanne von 4,5 m Länge mit zusätzlichen Modulen von 2,5 m und/oder 1,5 m verlängert werden. Die Wanne wird am Kran hängend oder über einen Stapler transportiert. Es treten dabei verschiedene Lastsituationen beim Transport und beim Betrieb auf. 

Ziel der Untersuchung war es, Schrauben zu dimensionieren, Schwachstellen frühzeitig zu erkennen, durch Optimierungsuntersuchungen gezielt Maßnahmen auf ihre Wirksamkeit hin zu untersuchen und zu bewerten, bzw. den statischen Festigkeitsnachweis für die finale Konstruktion zu erbringen. 

Im Rahmen der Aufgabenstellung wurden sämtliche Belastungssituationen simuliert und die kritischen Konfigurationen bestimmt. Es wurden die kritischen Bereiche identifiziert und die Kräfte in den Verbindungselementen ermittelt. 

Die Ausgangsuntersuchung zeigte an einigen Stellen unzulässige Werte und überbeanspruchte Schweißnähte bzw. unzulässig hohe Spannungen bei den Transportbelastungen auf. Durch verschiedene Optimierungsmaßnahmen konnten diese kritischen Spannungen um bis zu 57% reduziert werden. 

Der statische Festigkeitsnachweis konnte für die Betriebszustände und für den Staplertransport letztendlich erbracht werden. 

An einer Schweißnahtverbindung zwischen dem unteren Längsträger und einer Vertikalstütze traten rechnerisch zwar noch immer geringfügige Spannungsüberschreitungen auf. Dies bedeutete aber  keinesfalls, dass es hier zu Schadensfällen kommen kann. Zum einen war der gewählte Lastüberhöhungsfaktor mit 2 als sehr konservativ zu beurteilen. Auch das Spannungsermittlungskonzept stellte eine sehr konservative Betrachtung dar.  

Die zulässige Spannung einer Schweißnaht wird im Wesentlichen durch deren Qualität beeinflusst. Unserer Ansicht nach war es daher ausreichend, bei diesen Schweißnähten auf eine qualitativ hochwertige Ausführung zu achten und gegebenenfalls diese zu überschleifen. Durch sinnvolle Vereinfachungen konnte die anfangs etwas komplexere Struktur optimiert werden, was zur Folge hatte, dass das Gewicht der Wanne in der finalen Variante um 20 % leichter war. 

Auch nach fast 20 Jahren Betrieb (das Projekt stammte aus dem Jahr 2002) übernimmt die Einschleuswanne heute noch problemlos ihren Dienst. 

Die kritischen Lastfälle bei der Nachrechnung der Konstruktion einer Einschleuswanne traten beim Transport mit dem Kran und dem Stapler auf. 
Die Konstruktion konnte vereinfacht und soweit optimiert werden, dass auch bei geringen Überschreitungen der zulässigen Spannungen in einer Schweißnaht der Nachweis sicher erbracht werden konnte. Anhand der maximalen Kräfte aus dem FEM-Modell konnten die Schraubverbindungen dimensioniert werden.
Die kritischen Spannungen konnten um mehr als 50% gesenkt und das Gewicht der Wanne um 20% reduziert werden.