ANSYS
FEM im Großrohrleitungsbau
Unternehmen
Projekt / Kunde / Aufgabenstellung
Workflow
FEM Anwendung
Ergebnisse
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Die Firma SCHATZ GmbH wurde 1990 als Ingenieurbüro gegründet und bietet
umfassende Planungsleistungen im Bereich Maschinen- und Anlagenbau
Spezialisiert auf Rohrleitungsbau unterstützen wir unsere Kunden bei Ihren
Aufgabenstellungen
23 Mitarbeiter
~ 35.000 Planungsstunden/Jahr
Abteilungen:
PDMS – Industrieanlagen
PDMS – Kraftwerke
Autodesk – Mechanische
Konstruktion
Stressberechnung
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Unternehmen:
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Chemische Anlagen
Metallurgische Anlagen
Strangguss
Thermische Kraftwerke
Tank farms
Wasseraufbereitung
Petrochemisch
Unterstützungen
z. B. Rohrbrücken
Pumpenstationen
etc.
Vielfalt an Projekten
Anlagentyp: Zementwerk
Kunde: Scheuch GmbH
Lastfälle: Betrieb bis 350° C
Erdbeben (Rohr2)
Wind bis ~200 km/h
Projekt:
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Ø4488
Umfang: ca. 1600 t Stahl
davon ~550 t Rohrmat.
Rohrdurchmesser bis 5m
Team: bis zu 8 Konstrukteure
Bearbeitung: ca. 6 Monate
Projekt:
Aufgabenstellung:
Basic- und Detailengineering inkl.
Stressberechnung und Dimensionierung
der Rohrleitungen und Supports.
Zielsetzung:
Gewichtseinsparung = Kostenreduktion
Material
Montage
…
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Ing. Siegfried Schachinger
Projektleiter
Ing. Christian Kagerhuber
Design+FEM-Berechnung
Anlagenbestand Überarbeitung + Optimierung
Workflow:wie und warum das Ganze
Abfolge Rohr2 (herkömmlich):
Export über pcf Schnittstelle zu Rohr2
Prüfung
Wandstärke
Stützweiten
Supportposition
Ermittlung
Wärmedehnung
Lagerlasten
Ausnutzung (Rohrspannung)
Probleme
Stabmodell (dünnwandige Bauteile)
Darstellung eckige Ducts
Darstellung komplexer Rundrohrteile
Darstellung komplexer Supports
Individuelle Versteifungen
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CAD: Autodesk Inventor
Stress: Rohr2 (SIGMA)
Workflow:
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Modellgenerierung im Inventor
Aufbereitung der Modelle im SCDM
Erstellen der Mittelflächen
Löschen von Bohrungen
Berechnung im ANSYS
Export als Step von SCDM
Übernahme der Geometrie in das Inventormodell
Basic Modell im Inventor Bearbeitetes Modell in
SCDM
ANSYS Fertiges Inventormodell
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Berechnung und Auswertung:
Berechnungsdaten:
100 mm Isolierung
50 mm Anbackung bei „crude gas“ Leitungen
Unterdruck 50 mbar
Temperatur: 250° - 350°
Material:
Q235B (bis 300°)
Q245R (> 300°)
Berechnung folgender Lastfälle:
Gewichtlastfall
Betriebslastfall
Windlastfall
Auswertung
Spannungsauswertung AD2000 S4
Verschiebungen für Kompensatorauslegung
Lagerkräfte
Kontaktgenerierung:
Kontaktgenerierung in SCDM
Nur wenige Kontakte in ANSYS
Mechanical
In SCDM Topologie
gemeinsam nutzen:
gemeinsamer Knoten
Führungslager
Fixpunkt
FührungslagerVerbund
reibungsbehaftet
reibungsfrei
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Berechnung Gewichtlastfall
Erdanziehungskraft
Isolierung 100 mm (~25 kg/m²)
50 mm Anbackung bei „crude gas“ Leitungen
Modell in Rohr2
Kompensator
Kompensator
Führungslager
Fixpunkt
Führungslager
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Beispiel Berechnung Unterdruck
50 mbar
Wandstärke 6 mm
~3500 kg
4,1 m x 3,3 m
Fixpunkt Gleitlager mit
Abhebesicherung
Was passiert?
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Beispiel Berechnung Unterdruck
50 mbar
Wandstärke 6 mm
~3500 kg
4,1 m x 3,3 m
Differenz: 48,5 kN
Was passiert?
Fläche Seite A:
15,68 m² => 78,4 kN
Fläche Seite B:
5,38 m² => : 29,9 kN
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Fixpunkt
Führungslager
horizontal
Wärmedehnung
Abmessungen: 5 x 5 x 25 m
Wandstärke 5 mm
Wärmedehnung für Kompensatorauslegung
Kompensator
Kompensator
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Verschiebung von
~9 mm aufgrund der
Wärmedehnung
Wärmedehnung
Fixpunkt geschweißt oder geschraubt?
𝜶 ∗ 𝑳 ∗ 𝚫𝑻 = ∆𝑳1,2 * 10^-5 * 5650 * 260 = 17,63 mm
Erkenntnis:
Ausführung mit Anschlag
+ Spiel für
Wärmedehnung
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Windlastfall:
Fixpunkt
Führungslager
Höhe Windgeschwindigkeit Staudruck
0-8 m 36,8 m/s (132 km/h) 0,85 kN/m²
8-20 m 46,5 m/s (167 km/h) 1,35 kN/m²
20-100 m 54,6 m/s (196 km/h) 1,86 kN/m²
Über 100 m 59,3 m/s (213 km/h) 2,20 kN/m²
Wind in
horizontaler
Richtung
Kompensator
Kompensator
≙Kraft ~25 kN
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Windlastfall:
Erkenntnis:
Support der die Rohrleitung umschließt
=> bessere Krafteinleitung in den Support
Verringerung der Verformung um 15mm durch Materialeinsatz
von ca. 300kg
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Ergebnisauswertung:
Spannungsanalyse
AD 2000 S4
Primäre Spannungen
Membranspannung Pm
Biegespannung Pb
Sekundäre Spannungen Q
Zulässige Berechnungsspannung f
Pm ≤ f
(Pm + Pb) ≤ 1,5xf
(Pm + Pb + Q) ≤ 3xf
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Ergebnisauswertung:
Reaktionskräfte
Ermittlung der Auflagerkräfte
Dübel- und Ankerplattenberechnung
Lasten für Stahlbaudimensionierung
SUP01
SUP02
SUP03
Quelle: Hilti PROFIS Anchor
FEM – Anwendung:eckiger Duct mit Versteifungsrippen und
innenliegenden Versteifungsrohren
Größe: 9,5 m x 2,5 m
Gewicht: 5500 kg
Knoten: 266370
Berechnungszeit: ~10 min
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CPU: Intel Core i7-6700 3,4GHz
GPU: Quadro K2000D
RAM: 32GB
Nur VersteifungsrippenVersteifungsrippen +
innenliegende Rohre
FEM – Anwendung:Übergang rund-eckig
5,2 m x 4,7 m
Wandstärke 6 mm
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Aufdopplungsblech
seitlich nach oben
ziehen;
Bessere Krafteinleitung
in den Support Versteifungsrippen
„einfassen“
Rohr2 – Inventor - ANSYS:
Dimensionierung mit Rohr2
Modellbildung im Inventor
Berechnung der individuellen Versteifungen mit ANSYS
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Rohr2
InventorANSYS
Ergebnisse:Ersparnis rechteckiger Duct
Einsatz von innenliegenden Versteifungsrohren
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Einsparungspotential rechteckiger Duct ~30 %
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Ergebnisse:Ersparnis runder Duct
Generell eine geringere Wandstärke
Gezielter Einsatz einer hohen Wandstärke
Abzweige
Supports
Segmentbögen
Einsparungspotential runder Duct ~15 %
10mm 12mm
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Ergebnisse:Ersparnis
Rohrleitungsbau
54 Ducts
43 Supports
Stahlbau
Betonbau
Position Engineertes Gewicht Optimierungspotential Eingespartes Gewicht
L6B 164,8 t 15,58 % 25,7 t
L6RM 111,0 t 23,95 % 26,6 t
L5B 103,0 t 16,72 % 17,2 t
L5RM 66,6 t 20,6 % 13,7 t
Summe: 445,4 t 18,68 % 83,2 t
Schatz GmbHMarktplatz 3
4331 Naarn im Machlande
++43 / 7262 / 53 181
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Leistungsumfang TBS