DE102010063165A1

DE102010063165A1 - Druckbasierte Flächenausgleichsmodule zur Aufnahme von auf Baukonstruktionen wirkenden Kräften mittels sogenannter Fluidkolben

Info

Publication number: DE102010063165A1
Application number: DE102010063165A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Winkler Michael; Dipl.-Ing. Diener André
Original assignee: HOCHSCHULE MERSEBURG (FH); HOCHSCHULE MERSEBURG FH
Current assignee: HOCHSCHULE MERSEBURG (FH); HOCHSCHULE MERSEBURG FH
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-06-21
Also published as: CN103518023A; WO2012080167A1

Abstract

Die Erfindung betrifft druckbasierte Flächenausgleichsmodule (16) zur Aufnahme von statischen und/oder dynamischen Kräften auf Konstruktionen z. B. des chemischen Apparatebaus, allgemeinen Stahlbaus bzw. Maschinenbaus mittels sogenannter Fluidkolben. Druckbasierte Flächenausgleichsmodule sind dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere metallische Baukonstruktionen bzgl. ihrer tragenden Elemente als mit inkompressiblen Flüssigkeiten befüllte Hohlkörper ausgebildet sind, wobei die Hohlkörper einer technisch festgelegten Ausführung folgen können aber nicht zwangsläufig müssen, da auf sie einwirkende innere oder äußere Zug-, Druck- oder Biegekräfte druckausgleichend in mit einer ebenso inkompressiblen Flüssigkeit befüllte Flächenausgleichsmodule (16) in Wirkverbindung stehen, über deren aufnehmbarem Dehnungsvolumen (definiert durch Materialkennwerte) die Belastungen als Druckkräfte hinsichtlich der über sie zur Verfügung stehenden Fläche zur gleichmäßigen Kraftverteilung aufnehmbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft druckbasierte Flächenausgleichsmodule zur Aufnahme von statischen und/oder dynamischen Kräften auf Konstruktionen z. B. des chemischen Apparatebaus, allgemeinen Stahlbaus bzw. Maschinenbaus mittels sogenannter Fluidkolben. Als Flächenausgleichsmodule werden in diesem Zusammenhang inkompressible Flüssigkeit speichernde Behälter angesehen, aus denen unter Druck stehende Flüssigkeit in Elemente tragender Baukonstruktionen, in Wände von Druckgefäßen, Leitungen etc. als stabilisierendes Medium eingetragen wird.
Dem Stand der Technik gemäß werden Konstruktionen des Stahl-, Maschinenbaus, chemischen Apparatebaus etc., die insbesondere aus metallischen Werkstoffen bestehen, nach den Regeln der Ingenieurskunst entworfen und berechnet. Üblicherweise werden bei bekannten statischen, dynamischen bzw. durch Druckkräfte erzeugten Lasten Druckgefäße, Träger von Bauwerken bzw. Rohre durch Auswahl eines entsprechenden Werkstoffes dimensioniert, wobei oft auf standardisierte Profile, Rohre oder andere Beuelemente zurückgegriffen wird. Als einschlägige Berechnungsvorschriften der unterschiedlichsten Bauwerke gelten beispielsweise:
Europäische Richtlinie 87/404/EWG bzw. Richtlinie 2009/105/EG – einfache Druckbehälterverordnung; Druckgeräteverordnung – DGVO_BGBI. II Nr. 426/1999; AD-Merkblätter B0 bis B10, B13 Berechnung von Druckbehältern; DIN 1072 Straßenund Wegbrücken, Lastannahmen; DIN 1074 Holzbrücken; DIN 18800 erforderliche Nachweiseführung für Stahlträger; DIN 1045 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; DIN 1052 Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken; DIN 1055 Einwirkungen auf Tragwerke; DIN 4149 Bauten in deutschen Erdbebengebieten; DIN 18801 Stahlhochbau; DIN 18807 Trapezprofile im Hochbau; DIN EN 1990 bis 1996 Tragwerksplanung; DIN EN 1998 Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben; DIN EN 1999 Aluminiumtragwerke; DIN EN 14509 Selbsttragende Sandwich-Elemente mit beidseitigen Metalldeckschichten; DIN EN 13923 Fadengewickelte Druckbehälter aus textilfaserverstärkten Kunststoffen; EN 12953 Großwasserraumkessel; EN 12952 Wasserrohrkessel und Anlagenkomponentenn; DIN 4810 Druckbehälter aus Stahl für Wasserversorgungsanlagen; DIN EN 1595 Druckgeräte aus Borsilicatglas.
So muss z. B. die erforderliche Wandstärke eines Druckreaktors, bei einem gegebenen Volumen, mit steigendem Druck anwachsen. Bei sehr hohen Drücken sind demzufolge sehr große Wandstärken erforderlich, die wiederum Probleme bei der Fertigung und dem Fügen einzelner Bauteile verursachen.
Wie erwähnt, müssen Kräfte dort aufgenommen und in mechanische Federarbeit umgewandelt werden, wo sie entstehen. Will man Bauteile in ihrer Dimension verkleinern, so bedarf es nach dem Stand der Technik eines Werkstoffes, der bessere Materialeigenschaften, d. h. eine höhere Zugfestigkeit besitzt.
Bei den zurzeit praktizierten Modellansätzen muss bislang eine grundsätzliche Beziehung zwischen Werkstoff und aufzunehmender Kraft vernachlässigt bzw. eindimensional betrachtet werden. Dabei ist die im Werkstoff zu verrichtende Federarbeit aber nur vom Werkstoffvolumen abhängig und nicht von der Geometrie. Damit wird festgehalten:
Für die Federarbeit W in [Nm] gilt dabei folgende Gesetzmäßigkeit:

F: = Kraft;
I: = Federweg;
σ: = zulässige Spannung [N/mm²];
S: = Fläche;
E: = Elastizitätsmodul [N/mm²]

Da man bis heute eine homogene Kräfteverteilung über den gesamten Werkstoff eines tragenden Bauteils, Rohres, Druckgefäßes etc. praktisch nicht gewährleisten kann, muss nach einer neuen Lösung zur Dimensionierung gesucht werden, damit die Auslegung beanspruchter Bauteile am Ort der Kräfteeinwirkung eine geometrische Unabhängigkeit im weitesten Sinne zulässt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Einrichtungen vorzuschlagen, die äußere und/oder innere Kräfte, die auf tragende Elemente von Bauwerken, auf Druckgefäße, Rohrleitungen etc. einwirken, belastungsausgleichend aufnehmen, bei freier Gestaltung jedweder lastaufnehmender Konstruktionen, dabei eine weitgehende Entkopplung des Ortes des Lasteintrags vom Ort des Ausgleiches wirkender Kräfte, Drücke etc. zugelassen wird und somit eine gleichmäßige Lastverteilung sichergestellt ist, wodurch in der Konsequenz der Verbau von großen Massen an bekannten Werkstoffen an „sichtbaren” stützenden Konstruktionen z. B. im Gebäude-, Brückenbau oder bei Druckkörpern/-gefäßen drastisch reduziert werden kann. Weiterhin sollen dadurch tragende Bauteile bzgl. ihres Eigengewichtes eine überdurchschnittliche Reduzierung erfahren. Nicht zuletzt soll die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe auch dazu beitragen, ökonomisch günstigere Werkstoffe verwenden zu können, die ggf. sonst aus Gründen einer nicht ausreichenden Zugfestigkeit nicht verbaut werden konnten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 11.
Zur Darlegung der Erfindung sind weitere Ausführungen erforderlich.
Mit der Erfindung sollen insbesondere folgende konkrete technische Probleme einer Lösung zugeführt werden:

1. Kräfte, die beispielsweise auf den Mantel eines Druckreaktors einwirken, können nicht aus der Behälterwand abgeleitet werden. Das kräfteaufnehmende Mantelmaterial muss direkt um die Drucksphäre verbaut werden. Dicke Wandstärken sind die Folge.
2. Trägerkonstruktionen (für Gebäude, Brücken oder andere Maschinenelemente...) sind derzeit in ihrer Designfreiheit (siehe Punkt 1) sehr eingeschränkt.
3. Bei tragenden Elementen treten bei großen Überspannweiten hohe Eigenlasten auf, die eine stützfreie Überbauung nach den Erkenntnissen der Technischen Mechanik begrenzen. Die tragenden Elemente können unter dem Einfluss der Schwerkraft bereits aufgrund ihres Eigengewichtes versagen.
4. Materialien, die für Stützelemente verhältnismäßig schlechte Materialeigenschaften besitzen, sind in der Zahl nicht oder nur unter großen konstruktiven Zugeständnissen verbaubar.

Die Erfindung umgeht nunmehr die allgemein bekannte Verfahrensweise des Entwurfes und der Auslegung von tragenden Bauteilen, unter innerer oder äußerer Belastung stehender Druckgefäße, Rohrleitungen etc., wobei nicht mehr auf in technischen Standards festgelegte Dimensionierungen von z. B. Profilen (T-, Doppel-T-, Kastenprofile), Rohre oder andere genormte Bauteile zurückgegriffen werden muss und Überdimensionierungen vermieden werden. Außerdem ist es dadurch möglich, weitgehend eine freie Festlegung für die Geometrie, für die Querschnittsausbildung zu treffen, denn es werden in außerhalb einer Baukonstruktion gelegenen Depots, in der erfindungsgemäßen Sprachweise als Flächenausgleichsmodule bezeichnet (FAM) und, welche inkompressible Flüssigkeiten enthalten, Gegenkräfte entwickelt, die dem Versagensstreben einer „unterbemessenen” tragenden Konstruktion, einer Behälterwand, einer Rohrwandung etc. entgegenwirken. Als weitgehend inkompressible Flüssigkeiten können dazu bspw. Wasser, Öl, Flüssiggase, Flüssigmetallschmelzen verwendet werden, wobei ein derartiges Fluid als Kraftmittler bzw. Kolben fungiert, der keine Längs- und Querkräfte, sondern ausschließlich Druckkräfte aufnehmen kann und eine homogene sowie ortsunabhängige Aufprägung bzw. Verteilung von sehr hohen Kräften auf dünnwandige Stützkonstruktionen (Flächenausgleichsmodule = FAM) ermöglicht. Die Kräfte werden dabei über verhältnismäßig kleine Flächen eingetragen und durch entsprechend große Ausgleichsflächen aufgefangen. Wie noch gezeigt wird, genügen diese konstruktiven Veränderungen den gegebenen Gesetzmäßigkeiten und können weitgehend nach existenten Berechnungsvorschriften konzipiert bzw. gefertigt werden. Prinzipiell lässt sich der grundlegende Erfindungsgedanke durch die nachfolgend angestellte Überlegung darstellen:
Die Flächenausgleichsmodule sind in ihrer geometrischen Gestalt im wesentlichen frei ausführbar und lediglich ökonomisch sinnvollen sowie fertigungstechnisch möglichen Kriterien ausgesetzt. Einzig die lokale Deformation tragender Elemente, nicht im Sinne einer primären Kolbenfunktion, ist zu vermeiden. Hierunter zu verstehen ist eine lokale Manteldeformation lastaufnehmender Bauteile (z. B. Träger, Stützen etc.), die keine Volumenverdrängung der enthaltenen Flüssigkeit über das gesamte Flächenausgleichsmodul ermöglicht. Denkbare geometrische Konstruktionen für ein oder in einer Serie geschaltete Flächenausgleichsmodule können Hohlkörper in Kugel-, Quader-, Zylinder-, Rohrform oder in einer dem Ort des Einsatzes angepasste geometrische Bauform sein. Neben den bereits genannten inkompressiblen Fluids, die als Fluidkolben zu nutzen sind, werden an dieser Stelle auch jene angesehen, die analoge Eigenschaften nachweisen und hier nicht explizit genannt sind. Die in Kombination mit einem oder mehreren Flächenausgleichsmodulen zu entwerfenden Baukonstruktionen sind gemäß den Regeln der Technischen Mechanik berechenbar, wobei die unter innerem Druck bzw. äußerer Stützung stabilisierten Elemente derartige Baukonstruktionen mit einem niedrigeren Sicherheitsfaktor, gegenüber einer vergleichbaren Baukonstruktion ohne Verbindung zu einem Flächenausgleichsmodul, auslegbar sind. Demzufolge sind für die Elemente der erfindungsgemäß entworfenen Baukonstruktionen und für die mit ihnen in Wirkverbindung stehenden Flächenausgleichsmodule auch Werkstoffe, insbesondere metallischer Art, mit niedrigerer Zugfestigkeit und Güte einsetzbar. Lediglich korrosionstechnische Gesichtspunkte spielen insofern für die Materialauswahl eine zu beachtende Rolle sowie darüber hinaus das Fließ und/oder Bruchverhalten des Mantelmaterials bei gegebener Auflagefläche für tragende Bauelemente. Flächenausgleichsmodule sind von Elementen einer erfindungsgemäß gestalteten Baukonstruktion örtlich getrennt oder in ein solches Element integriert oder es kann ein Flächenausgleichsmodul auch als Stützgerüst um eine als Hohlkörper konzipierte Baukonstruktion fungieren. Flächenausgleichsmodule können auch einzeln und/oder bei Bedarf nacheinander zum Abfangen einer Belastung auf eine Baukonstruktion zugeschaltet werden, was ggf. durch Druckpumpen stufenlos durch Erhöhen des Fluiddrucks im geschlossenen System erreichbar ist. Denkbar ist auch, dass die Kreisläufe voneinander unabhängiger Paarungen tragendes Element₁/Flächenausgleichsmodul, tragendes Elemente_n/Flächenausgleichsmodul_n miteinander in Wirkverbindung gebracht sind, um Schwachstellen im System einer Baukonstruktion ausgleichen zu können. Es besteht auch die Möglichkeit, dass druckbasierte Flächenausgleichsmodule zum Stoff- bzw. Wärmetransport auf der Basis einer in ihnen vorhandenen inkompressiblen Flüssigkeit verwendet werden.
Falls druckbasierte Flächenausgleichsmodule bzw. Insbesondere die mit Ihnen kommunizierenden Elemente einer Baukonstruktion einem Schwerefeld oder einer Zentrifugalkraft ausgesetzt sind, ist mit der Anordnung und Verwendung der Flächenausgleichsmodule wie folgt zu verfahren:

a.) Lagerung der Flächenausgleichsmodule in der Flüssigkeit, mit der die Flächenausgleichsmodule gefüllt sind, um dadurch die Auftriebskräfte, den anstehenden hydrostatischen Druck innerhalb der Flächenausgleichsmodule zu egalisieren, sodass diese auch über ihre Höhe eine homogene Kraftverteilung in der gesamten Mantelfläche realisieren können.
b.) Verwendung mindestens zweier Flächenausgleichsmodule, die im vertikalen Schwerefeld jeweils oben (27) und unten (28) positioniert sind, wobei das Volumen, welches aus dem hydrostatischen Druck des fluiden Kolbens resultiert und zur Verrichtung der diesbezüglichen Federarbeit benötigt wird, aus dem oberen Flächenausgleichsmodul (28) abfließt. Zu beachten ist der für Flüssigkeiten relevante Dampfdruck bei einer anstehenden, hängenden Flüssigkeitssäule, da bei erreichen dieses Druckes die Stutzkonstruktion (29) sowie das obere Flächenausgleichsmodul (28) im oberen Teil kollabieren wird.
c.) Verwendung mindestens zweier Flächenausgleichsmodule (30 und 31), die ineinander greifen, wobei das sekundäre Flächenausgleichsmodul (31) ein Steigrohr (33) innerhalb der vertikalen Stützkonstruktion (32) des primären Flächenausgleichsmoduls (30) besitzt, welches wiederum bis nahe dem Hochpunkt der gesamten Konstruktion reicht und eine vergleichbare Funktion, wie in Punkt b) beschrieben, erfüllt. In dieser Bauform ist das Kopf-Flächenausgleichsmodul (28) unter Punkt b) das sekundäre Flächenausgleichsmodul (31), welches im unteren Teil direkt mit dem Steigrohr (33) verbunden ist und im Hochpunkt der Konstruktion eine Verbindung zum primären Flächenausgleichsmodul (30) herstellt.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen für die Ausbildung und Anordnung in erfindungsgemäß gestalteten Elementen bzw. Baukonstruktionen näher erläutert werden. Dazu wird auf die 1 bis 8 zurückgegriffen.
Es zeigen
1a: Den Gleichgewichtszustand zwischen zwei kommunizierenden Kugelbehältern mit einem beweglichen, aus festem Material bestehenden Kolben in der sie verbindenden Strecke,
1b: Den Gleichgewichtszustand zwischen zwei kommunizierenden Kugelbehältern ohne einen beweglichen Kolben in der sie verbindenden Strecke,
1c: Die Analogie zu 1a – Gleichgewichtszustand zwischen zwei kommunizierenden Federsystemen mit einer gemeinsamen, beweglichen, aus festem Material bestehenden Federhalterung,
1d: Die Analogie zu 1b – Gleichgewichtszustand zwischen zwei Federsystemen ohne einer gemeinsamen, beweglichen, aus festem Material bestehenden Federhalterung,
2: Den Vergleich eines bei bekanntem Innendruck bemessenen Rohrs mit einem schwächer bemessenen Rohr, das in Verbindung mit einem Flächenausgleichsmodulen steht,
3: Die Ausführung einer Brückenkonstruktion,
4: Eine ausdehnungsbegrenzende Stützkonstruktion eines durch innere Druckkräfte beanspruchten Behälters/Bauteils,
5: Einen Druckbehälter mit Doppelwandung, der mit Flächenausgleichsmodulen gekoppelt ist,
6: Ein prinzipielles Beispiel für einen Behälter (mit innen liegendem Flächenausgleichsmodul), der hohen Außendrücken ausgesetzt ist,
7: Eine segmentierte Anordnung von Flächenausgleichsmodulen an einem Arbeitsbehälter.
8: Ein prinzipielles Beispiel zur Kompensation von Schwer- und Zentrifugalkräften,
Nach 1 wird eine prinzipielle Darstellung der physikalischen Zusammenhänge vorgenommen, die einen Vergleich der Wirkungsweisen bei Flächenausgleichsmodulen sowie Federn ermöglicht.
Es existieren hier definierte Systemgrenzen. Die potenzielle Energie (die mechanische Federarbeit) in den Behältermänteln (1a) wirkt auf den Kolben 3 von zwei Seiten ein. Wenn diese potenzielle Energie nun in beiden Systemen identisch ist, bleibt der Kolben 3 in seiner Position. Es ist somit irrelevant, welcher Druck an den einzelnen Behältern bzw. Kugelinnenflächen 2 und 5 existent ist. In 1b sind zum Vergleich die Zustände dargestellt, die sich einstellen, wenn der Kolben 3 fehlt und alleinig Kugel 2 (4; 5) die potenzielle Energie aufnehmen muss. 1c und 1d stellen die Analogien zu den Darstellungen in den 1a und 1b dar. Der Vergleich mit konventionellen Federsystemen soll dabei das Verständnis erleichtern. Insbesondere aus 1d wird deutlich, was passiert, wenn nur noch ein gültiges Bilanzsystem existiert. Ähnlich wie in 1b, siehe Position 5 und 6, ist nur ein Federsystem umlaufend vorhanden.
Ein daraus resultierender Vergleich ist in 2 erkennbar. Hier wird ein unter Druck stehendes und herkömmlich bemessenes Rohr 11 mit der Kombination eines schwächer bemessenen Rohres 12, welches mit einzeln zuschaltbaren Flächenausgleichsmodulen 16 in Wirkverbindung steht, gezeigt. Es ist hier denkbar, dass die in Serie und durch Ventile 15 voneinander getrennten Flächenausgleichsmodule den Druckbelastungen des schwächer bemessenen Rohres 12 flexibel anpassbar ausgelegt sind. Die prinzipielle Darstellung eines flach gestalteten Flächenausgleichsmoduls 16 ist in dieser Figur zu erkennen, wobei für Flächenausgleichsmodule (im Allgemeinen) keine spezielle Konstruktion vorgegeben ist. Eine gleichmäßige Kraftspeicherung im Mantel muss jedoch gegeben sein. Ein Beispiel für eine einfache Flächenausgleichsmodul-Konstruktion stellen Rohrbündel dar. Hierfür können die gängigen Berechnungsvorschriften genutzt werden. Bei flächigen Ausführungen mit einer signifikant verkürzten räumlichen Längenausdehnung, wie in 2 gezeigt, wären konstruktive Änderungen d. h. lokale Verstärkungen, im Sinne der Materialeinsparung, zu empfehlen, die im Idealfall der Kraftverteilung in einem Kugelmantel entsprechen. Der einfachste Weg das Druckkörpersystem aus Lastaufnahmekonstruktion (Gebäude, Brücken...) und Flächenausgleichsmodulen unter mechanische Spannung zu setzen, besteht im Aufpumpen der Druckkörper. Wie bereits zuvor angeklungen ist, kann dies für alle Mantelflächen gleichzeitig oder segmentweise erfolgen – vor Ort oder im Vorfeld. Das dabei einzubringende Flüssigkeitsvolumen ergibt sich aus den nachfolgend dargestellten Zusammenhängen zwischen kraftaufnehmender Mantelfläche und den zur Verfügung stehenden Materialeigenschaften, wie bereits eingangs allgemein dargestellt. Minimale Zuschläge, die sich aus der realen Kompressibilität von Flüssigkeiten ergeben, sind darüber hinaus zu berücksichtigen. Eine modulweise Integration bzw. Bedienung einzelner Flächenausgleichsmodule ist möglich. Eine Kraftaufprägung über echte Pumpenkolbenkonstruktionen am Lastaufprägeort mit einer Echtzeit Volumenverdrängung kann ebenfalls vorgesehen werden. Hierbei ist zu beachten, dass dieses Volumen konstruktiv vorgehalten werden muss und entsprechende Speicher im Pumpenkolben zu berücksichtigen sind. Bei sehr großen Flächenausgleichsmodulen mit einer dünnen Wandung ergeben sich verhältnismäßig große Volumina, die vergleichsweise zeitnah transportiert werden müssen. Die Durchmesser der Transport- bzw. Verbindungsleitungen 14 müssen dem angemessen sein.
Einige der für die Berechnung bzw. Überwachung von Flächenausgleichsmodulen wichtigen Kenngrößen können dabei exemplarisch am Beispiel eines Kugelbehälters mit einer Wandstärke von 1 mm wie folgt abgeschätzt werden:
Kugelvolumen V = 1/6·π·d³; Kugelfläche: A = π·d²; Umfang: U = π·d → d = U/π; ΔI = σ₁/E₁·1₁; I₂= I₁·(σ₁/E₁ + 1) = U₂; I₁= U₁; U₂ = U₁·(σ₁/E₁ + 1) = π·d₁·(σ₁/E₁ + 1);
d₂ = d₁·(σ₁/E₁ + 1)

d_1/2:: Durchmesser der Kugel bei p₁ und p₂
A_1/2:: Fläche der Kugel zur Mantelfläche bei p₁ und p₂ [m³]
V_1/2:: Volumen der Kugel zur Mantelfläche bei p₁ und p₂ [m³]
σ:: zulässige Spannung [N/mm²];
E:: Elastizitätsmodul [N/mm²]
p₁:: Ausgangsdruck [N/m²];
p₂:: Arbeitsdruck [N/m²]

Durch Kraft zu verdrängendes Volumen ΔV: ΔV = V₂ – V₁ = π/6·(d₁·(σ₁/E₁ + 1))³ – π/6·d₁ ³ ΔV = π/6·d₁ ³((σ₁/E₁ + 1)³ – 1)
Arbeitsdruck: p₂ = F/A₂ = F/(π·d₂ ²) = F/(π·(d₁·(σ₁/E₁ + 1))²) p₂ = F/(A₁·(σ₁/E₁ + 1)²)
Eine Kugel (homogene Kraftverteilung über den Mantel) gibt den Druck und das durch die Krafteinwirkung notwenige zu verdrängende Volumen zur Aufprägung der mechanischen Federarbeit, bei minimalem Materialeinsatz und gegebenen Mantelflächen vor. Bei abweichenden Flächenausgleichsmodul-Konstruktionen ist hier ein Vergleich mit dem Ideal möglich. Diese Abweichungen sollten geprüft werden, da es sonst zu einem Systemversagen lokaler Bauelemente kommen kann, die sich aufgrund einer unzulänglichen Dimensionierung plastisch verformen bzw. brechen. Darüber hinaus kann es ebenso leicht zu einer unnötigen Überdimensionierung vieler Mantelabschnitte der Flächenausgleichsmodule kommen, was mit erhöhten Kosten einhergeht und Vorteile aus der Einsparung nicht mehr anfallender Eigenlasten relativiert. Bei der allgemeinen Konstruktion dieser Flächenausgleichsmodule ist zu beachten, dass aus sicherheitstechnischen Gründen die verwendeten Module keine steiferen Flächen als die restlichen Bauteile aufweisen (vergleiche nochmals 1a bzw. 1b). Es ist sicherzustellen, dass das durch den Druckaufbau aufgeprägte Flüssigkeitsvolumen im Druckkörper primär oder wenigstens identisch stark an den Flächenausgleichsmodulen angreift – nicht an den neuralgischen Punkten (Idealfall: gleichmäßige elastische Verformung der gesamten Mantelflächen – an einer Kugel). Optimalerweise werden die tragenden Bauteile, die örtlich große Kräfte aufnehmen müssen so konstruiert, dass sie bei einer lokalen Verformung des Mantels wie ein Kolben funktionieren und Flüssigkeit ins Flächenausgleichsmodul verpressen. Die zum „Aufblasen” des Flächenausgleichsmoduls verwendete Flüssigkeit sollte somit auch keine schlichte Volumenvergrößerung der Flächenausgleichsmodule Richtung Kugelform bewirken, welche lokale plastische Verformungen auslöst. Die aufgeprägten Druckkräfte müssen gleichmäßig in die Gitterstruktur des Mantelmaterials auf elastischer Basis eingetragen werden. Zu diesem Zwecke können diverse innen- oder außenliegende Stütz-, bzw. Begrenzungskonstruktionen verwendet werden, welche sämtliche Flächen vergleichsmäßigen. Im Idealfall sind derartige Verstärkungen bereits bei der Elementkonstruktion zu berücksichtigen. Letztere Maßnahmen dienen einem effizienteren Materialeinsatz. Eine schlichte Dimensionierung nach Stand der Technik, wie bereits erwähnt wurde, kann jedoch bei Beachtung der Kolbenfunktion integrierter Bauteile auch erfolgen.
Nach 3 kann eine Anwendung der erfindungsgemäßen Innovation in der Bautechnik stattfinden. Hierfür sind mit Flüssigkeit gefüllte Behältnisse, z. B. Brückenkonstruktionen 18, denkbar, auf die Lasten einwirken. Die erforderlichen Flächenausgleichsmodule 16 können dabei optional andernorts (geographisch günstig) positioniert werden, wobei auch hier eine geeignete „Kräftekommunikation” der Einzelkomponenten über eine Verbindungsleitung 14 gewährleistet ist.
Insbesondere Druckbehälter für den Hochdruckbereich bzw. für großvolumige Anlagen können durch zwei wesentliche Strategien erfindungsgemäß gestaltet werden:

1. Ein dickwandiger Behältermantel 20 eines Druckbehälters 22 wird nach gängigen Berechnungsmodellen ausgelegt. Probleme, die bei einem formschlüssigen Verbinden massiver Bausegmente entstehen, werden dabei mit durch Klammern 21 ausgebildeten Konstruktionen gelöst, so wie es in 4 dargestellt ist. Die Dichtheit wird durch Pressung bzw. darüber hinaus über eine oberflächige Schweißnaht hergestellt, welche durch die Klammerkonstruktion 21, die mit entsprechenden Flächenausgleichsmodulen 16 in Verbindung steht, gewährleistet ist.
2. Es existieren nach 5 zwei Behälter für ein Druckbehältersystem. Der Innenbehälter 22 ist der Arbeitsbehälter bzw. Nutzreaktor. Dieser ist vom Druckaufnahme-/Außenbehälter 23 umgeben, an welchem die Flächenausgleichsmodule 16 gekoppelt sind. Entsprechende Zu- und Abgänge können individuell vorgesehen werden, wobei die Bilanzgrenzen eines Flächenausgleichsmoduls zu beachten sind.

Eine Kombination beider Strategien ist möglich. Zu beachten bleibt insbesondere bei der Doppelmantelstrategie, dass ein extern „aufgepumptes” Flüssigkeitsvolumen im Flächenausgleichsmodul 16 dem aktuellen Arbeitsdruck im Druckbehälter 22 angepasst werden muss, da es ansonsten zu einem Zusammenfalten desselben kommen kann, sofern dieser keine Kompensatoren besitzt bzw. zu schwach ausgelegt ist.
Eine besondere Konstruktion von Druckkörpern sind nach 6 Anlagen, die einem hohen Außendruck 24 ausgesetzt sind. Diese können derart konzipiert werden, indem man hier die Flächenausgleichsmodule 16 nicht der Umwelt aussetzt, sondern diese im Innenraum 25 des Behälters 23 platziert Mit ansteigender Größe einer derart verwendeten Konstruktion steigt auch das verbleibende Nutzvolumen des Innenbehälters 25, da das Volumen mit der dritten Potenz und die Oberfläche des zur Umwelt gewandten Mantels nur mit der zweiten Potenz wächst.
Eine Anwendung nach 7 ist weitgehend eine technische Adaption der bereits genannten Beispiele. So können auch Behälter- oder Zylinder-, Kolbenteile segmentiert gefertigt und/oder mit Klammerkonstruktionen 21 gesichert werden. Auf diese Art und Weise können etwaige Auftriebskräfte bzw. Schwerlasten segmentweise aufgefangen bzw. besondere Verschleißteile leichter ersetzt werden.
Für die Dimensionierung eines komplett mit Flüssigkeit gefüllten Flächenausgleichsmoduls können, wie bereits erwähnt, die geltenden Normen und Regelwerke (z. B. Europäischer Richtlinie 87/404/EWG – einfache Druckbehälterverordnung bzw. die AD-Merkblätter...) verwendet werden. Eine leichte Abgrenzung von der Standardvorgehensweise erfolgt erst über die Implementierung des hydrostatischen Druckes in kombinierten Flächenausgleichsmodulen bei sehr hohen Konstruktionen, wie es durch die Darstellung gemäß 8 gezeigt ist. In den hier abgebildeten prinzipiellen Verfahrenslösungen werden die durch die Flüssigkeitsfüllung entstehenden Schwerelasten auf zweckmäßige Art und Weise in den Flächenausgleichsmodulen (27, 30) aufgenommen, sodass hydrostatische Drücke relativiert werden. Das Problem einer hängenden Flüssigkeitssäule in einem geschlossenen System, nämlich das Verdampfen der Flüssigkeit am Kopf der Konstruktion beim Erreichen des jeweiligen Dampfdruckes, bei zu langer, hängender Flüssigkeitssäule, wird durch die Flächenausgleichsmodule 28 bzw. 31 gelöst. Diese liefern das zur Kraftaufprägung in den Flächenausgleichsmodulen 27 bzw. 30 benötigte Flüssigkeitsvolumen, sodass die Flüssigkeit im Kopf der Konstruktion nicht mehr verdampfen muss, um selbiges bereitzustellen, was zu einem Zusammenfalten der oberen Konstruktionen führen würde. Sobald die Schwerelast der Flüssigkeitsfüllung in den Flächenausgleichsmodulen 27 bzw. 30 kompensiert wurde, ist das Gesamtsystem im Gleichgewicht. Hydrostatische Drücke spielen somit keine limitierende Rolle für eine Anwendung.
Eine Implementierung von z. B. Pumpen innerhalb eines Flachenausgleichsmoduls 16 ist möglich; so können die Fluidverbindungen auch für Stoff- und Wärmetransporte genutzt werden.
Die Vorteile der Erfindung können zusammenfassend darin gesehen werden:

– Umwandlung von Kräften in Federarbeit abseits des Ortes der Kraftaufgabe,
– geringe Materialstärken für tragende Bauteile/-elemente vorsehbar,
– Werkstoffe mit geringerer Zugfestigkeit, als herkömmlich möglich, einsetzbar,
– die Eigenlast tragender Bauteile kann infolge Umverteilung der auf sie einwirkenden Kräfte vermindert werden,
– tragende Bauteile erlangen eine weitgehend unabhängige gestalterische Freiheit,
– kostengünstige(r) Fertigung/Bau tragender Bauteile/-elemente,
– der kommunikative Zusammenhang zwischen tragendem Bauteil und Flächenausgleichsmodul erlaubt Stoff- bzw. Wärmetransporte.

Bezugszeichenliste

1: Mantelfläche Kugel 1, dickwandig, ungespannt
2: Mantelfläche Kugel 1, dickwandig, gespannt
3: Kolben
4: Mantelfläche Kugel 2, dünnwandig, ungespannt
5: Mantelfläche Kugel 2, dünnwandig, gespannt
6: Mantelmaterial von Kugel 1
7: Massive Einzelfeder, entspricht Kugel 1 (Pos. 1; 2)
8: Federhalterung, entspricht Kolben (Pos. 3)
9: Schwache Einzelfedern, entsprechen Kugel 2 (Pos. 4; 5)
10: Festlager
11: Rohr, nach Standart bemessen
12: Innenrohr, schwach bemessen
13: Außenrohr, FAM verbunden
14: Verbindungsleitung
15: Ventil
16: Flächenausgleichsmodul (FAM)
17: Ventil-Pumpenanschluss
18: Brückenkonstruktion, FAM verbunden
19: Lager
20: Segmentierte Behälterwand
21: Klammerkonstruktion, umlaufend, FAM verbunden
22: Druckbehälter
23: Außenbehälter, FAM verbunden
24: Hoher Umgebungsdruck
25: Innenbehälter bei niedrigem Druck
26: Segmentierte Behälterwand, FAM verbunden
27: Unteres Flächenausgleichsmodul
28: Oberes Flächenausgleichsmodul
29: Stütz- und Verbindungskonstruktion
30: Flächenausgleichsmodul, entspricht Pos. 27
31: Flächenausgleichsmodul, entspricht Pos. 28
32: Stütz- und Verbindungskonstruktion für Pos. 30
33: Steig- und Verbindungsrohr für Pos. 31

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Europäische Richtlinie 87/404/EWG [0002]
Richtlinie 2009/105/EG [0002]
DIN 1072 [0002]
DIN 1074 [0002]
DIN 18800 [0002]
DIN 1045 [0002]
DIN 1052 [0002]
DIN 1055 [0002]
DIN 4149 [0002]
DIN 18801 [0002]
DIN 18807 [0002]
DIN EN 1990 bis 1996 [0002]
DIN EN 1998 [0002]
DIN EN 1999 [0002]
DIN EN 14509 [0002]
DIN EN 13923 [0002]
EN 12953 [0002]
EN 12952 [0002]
DIN 4810 [0002]
DIN EN 1595 [0002]
Richtlinie 87/404/EWG [0040]

Claims

Druckbasierte Flächenausgleichsmodule zur Aufnahme von auf Baukonstruktionen wirkenden Kräften mittels sogenannter Fluidkolben, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere metallische Baukonstruktionen bzgl. ihrer tragenden Elemente als mit inkompressiblen Flüssigkeiten befüllte Hohlkörper ausgebildet sind, wobei die Hohlkörper einer technisch festgelegten Ausführung folgen können aber nicht zwangsläufig müssen, da auf sie einwirkende innere oder äußere Zug-, Druck- oder Biegekräfte druckausgleichend in mit einer ebenso inkompressiblen Flüssigkeit befüllte Flächenausgleichsmodule (16) in Wirkverbindung stehen, über deren aufnehmbarem Dehnungsvolumen definiert durch Materialkennwerte, die Belastungen als Druckkräfte hinsichtlich der über sie zur Verfügung stehenden Fläche zur gleichmäßigen Kraftverteilung aufnehmbar sind.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenausgleichsmodule (16) als druckaufnehmende Behälter in Kugel-, Quader-, Zylinder-, Rohrform oder in einer dem Orte des Einsatzes angepassten geometrischen Bauform vorliegen und entsprechend der zu egalisierenden Beanspruchungen in einer Baukonstruktion, die aus einem oder mehreren tragenden Elementen bestehen kann, in der Ausführung eines einzeln auf ein tragendes Element oder in Form einer zuschaltbaren Serie mehrerer Flächenausgleichsmodule (16) verwendet werden.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inkompressible Flüssigkeit in einem Flächenausgleichsmodul (16) bevorzugt Wasser, Öl, Flüssiggas, eine Flüssigmetallschmelze oder ein anderes Fluid mit analogen Eigenschaften ist.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar äußeren bzw. inneren Belastungen ausgesetzte Baukonstruktionen mit einem bzw. mit mehreren Elementen, ein Druckgefäß, Rohrleitungen, Rohrbögen etc., die mit einer definierten Anzahl oder jeweils nur mit einem Flächenausgleichsmodul (16) in Wirkverbindung stehen mit einem Sicherheitsfaktor berechenbar sind, der aufgrund reduzierter Eigenlasten niedriger ist, als es die bisher bekannten Standards erfordern.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Werkstoffauswahl von tragenden Bauelementen bzw. von Flächenausgleichsmodulen (16) Materialien mit herkömmlich nicht ausreichender Zugfestigkeit einsetzbar sind, wobei lediglich die korrosiven Einflüsse, der mit ihnen in Kontakt tretenden Medien sowie darüber hinaus das Fließ und/oder Bruchverhalten des Mantelmaterials bei gegebener Auflagefläche für tragende Bauelemente Berücksichtigung finden müssen.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenausgleichsmodule (16) örtlich getrennt aber hydraulisch kommunikativ einem äußeren oder inneren Kräften belasteten Bauteil zugeordnet bzw. in dieses konstruktiv integriert sind bzw. auch als Stützkonstruktion um eine/an einer Baukonstruktion, einem Druckgefäß etc. fungieren.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenausgleichsmodule (16) hydraulisch getrennt von einer Baukonstruktion einzeln druckbeaufschlagt und je nach Bedarf bzw. permanent dem System zugeschaltet werden können bzw. auch keine vorweggenommene Kraftaufprägung bzw. Lastaufprägung und Verpressung des notwendigen Fluidvolumens erfolgt, sondern diese zeitgleich mit der auftretenden Belastung einhergeht.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschieden ausgebildete, hydraulisch voneinander unabhängig wirkende Flächenausgleichsmodule (16) miteinander kombinierbar sind, wodurch ggf. in einer Baukonstruktion denkbare Schwachstellen absicherbar sind, entsprechend einer Klammerkonstruktion (21) bzw. einer segmentierten Behälterwand (26).
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Baukonstruktionen, die einem Schwerefeld bzw. einer Zentrifugalkraft und somit hydrostatischen Einflüssen ausgesetzt sind mit Flächenausgleichsmodulen wie folgt ausgestattet sind: d.) Lagerung der Flächenausgleichsmodule in der Flüssigkeit, mit der die Flächenausgleichsmodule gefüllt sind, um dadurch die Auftriebskräfte, den anstehenden hydrostatischen Druck innerhalb der Flächenausgleichsmodule zu egalisieren, sodass diese auch über ihre Höhe eine homogene Kraftverteilung in der gesamten Mantelfläche realisieren können. e.) Verwendung mindestens zweier Flächenausgleichsmodule, die im vertikalen Schwerefeld jeweils oben (27) und unten (28) positioniert sind, wobei das Volumen, welches aus dem hydrostatischen Druck des fluiden Kolbens resultiert und zur Verrichtung der diesbezüglichen Federarbeit benötigt wird, aus dem oberen Flächenausgleichsmodul (28) abfließt. Zu beachten ist der für Flüssigkeiten relevante Dampfdruck bei einer anstehenden, hängenden Flüssigkeitssäule, da bei erreichen dieses Druckes die Stutzkonstruktion (29) sowie das obere Flächenausgleichsmodul (28) im oberen Teil kollabieren wird. f.) Verwendung mindestens zweier Flächenausgleichsmodule (30 und 31), die ineinander greifen, wobei das sekundäre Flächenausgleichsmodul (31) ein Steigrohr (33) innerhalb der vertikalen Stützkonstruktion (32) des primären Flächenausgleichsmoduls (30) besitzt, welches wiederum bis nahe dem Hochpunkt der gesamten Konstruktion reicht und eine vergleichbare Funktion, wie in Punkt e.) beschrieben, erfüllt. In dieser Bauform ist das Kopf-Flächenausgleichsmodul (28) unter Punkt e.) das sekundäre Flächenausgleichsmodul (31), welches im unteren Teil direkt mit dem Steigrohr (33) verbunden ist und im Hochpunkt der Konstruktion eine Verbindung zum primären Flächenausgleichsmodul (30) herstellt.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zum Stoff- bzw. Wärmetransport auf der Basis der in ihnen vorhandenen Fluide verwendet werden.
Druckbasierte Flächenausgleichsmodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass konstruktive Begrenzungen vorgesehen werden können, die eine homogene Kraftverteilung über die gesamte Fläche der Flächenausgleichsmodule gewährleisten.