EP0053659B1 - Einspannsystem zur Vermeidung von schädlichen Zug- und Schubspannungen in ggf. mehrschichtigen Mauerwerksscheiben - Google Patents

Einspannsystem zur Vermeidung von schädlichen Zug- und Schubspannungen in ggf. mehrschichtigen Mauerwerksscheiben Download PDF

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EP0053659B1
EP0053659B1 EP81107658A EP81107658A EP0053659B1 EP 0053659 B1 EP0053659 B1 EP 0053659B1 EP 81107658 A EP81107658 A EP 81107658A EP 81107658 A EP81107658 A EP 81107658A EP 0053659 B1 EP0053659 B1 EP 0053659B1
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EP
European Patent Office
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restraining
yoke
restraining system
spring
girder
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EP81107658A
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French (fr)
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EP0053659B2 (de
EP0053659A1 (de
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Heinz Dipl.-Ing. Dürselen
Jürgen Dipl.-Ing. Neitzel
Arnulf Dr. Dipl.-Ing. Schüffler
Walter Stanke
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Krupp Koppers GmbH
Original Assignee
Krupp Koppers GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/16—Making or repairing linings increasing the durability of linings or breaking away linings
    • F27D1/1621—Making linings by using shaped elements, e.g. bricks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B29/00—Other details of coke ovens
    • C10B29/08—Bracing or foundation of the ovens
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003—Linings or walls
    • F27D1/0023—Linings or walls comprising expansion joints or means to restrain expansion due to thermic flows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B13/00—Furnaces with both stationary charge and progression of heating, e.g. of ring type, of type in which segmental kiln moves over stationary charge
    • F27B13/06—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of this type

Definitions

  • the invention relates to a clamping system for avoiding harmful tensile and shear stresses in possibly multi-layer masonry slabs, which are subject to both thermal and mechanical deformation stresses and in which the masonry is clamped by means of clamping plates, to which the clamping forces of the anchors with the aid of yoke-like supports and intermediate springs or distance pieces are transmitted.
  • the task is to generate sufficient pressure pre-stresses in the partition walls despite changing thermal and mechanical deformations of the outer clamping system and to ensure them constantly in order to avoid tensile cracks by superimposing corresponding pressure stresses.
  • the task is thus solved according to the invention as an optimization of the elements of the overall system connected via the force flow.
  • the wall warps the most when it is loaded from the side halfway up.
  • the clamping pressure forces of the wall are chosen to be the highest in the center and their contact surfaces are laterally separated as far as possible into the two outer edge zones, the resultants of the two marginal forces acting parallel to or in the direction of the vertical wall center plane.
  • the individual construction elements of the clamping system are designed to be resilient in such a way that they largely compensate for the interference.
  • the advantage of the spring elasticities provided in the clamping system is, on the one hand, the small displacements in the force distributions and, on the other hand, the lighter and cheaper design, in particular with larger partition wall dimensions.
  • the production of the desired distribution of the clamping forces over the length of the clamping plates can be done by a corresponding gradation of the thickness of the spacers or by relaxed spring elements that z.
  • the prestresses in the partition walls (9 in FIG. 1) are produced either directly by adjusting prestressed blocked pressure elements (6 in FIG. 1) between the clamping plates 7 and the yoke-like carrier 5 arranged in front of them and then lifting the blockade or initially by adjustable ones Tensioning elements between the clamping plate 7 and the yoke-like carrier 5, which is pretensioned, and then by adjusting the pressure elements 6.
  • the prestresses in the partition walls are to be constantly maintained by the spring properties of the transverse anchor system (1- and 3 in FIG. 1), the yoke-like supports 5, the clamping plates 7 and 8 and the pressure elements 6.
  • the load changes in the usual clamping forces can be kept within the tolerance limits according to claim 1.
  • the springs at both ends of the cross anchor can be combined in a one-sided spring with half the spring constant if the changes in force are transmitted from one side to the other.
  • the factor q is a maximum of 20%.
  • FIGS. 11 and 12 various schematically illustrated exemplary embodiments for the pressure elements 6 can be seen in relation to claims 14 to 19. 11d can also be coupled to the pressure regulator (PC) or a corresponding positioner (positioner), for example, so that the exhaust air consumed by the regulator z. B. is used as cooling air or is taken directly from the top of the gas bellows and thus serves to dissipate heat.
  • PC pressure regulator
  • positioner positioner
  • Figure 12 shows according to claims 18 and 19 spring pressure elements 6 relaxed (Fig. 12a) and biased (Fig. 12b).
  • FIGS. 13 to 16 schematically show, for example, the design and arrangement of the pressure elements 6 as spiral springs according to claims 1, 20, 21, 22 and 24.
  • Figure 13 schematically illustrates a possibility for generating the bell-shaped course of the pressing forces according to claim 1 with the same spiral springs z.
  • FIG. 14 indicates how the force redistributions in the event of changes in the thermal curvatures of the yoke-like carrier 5 are largely mitigated by the softer springs 6 in the middle when the line load on the clamping plate 7 is approximately constant.
  • the clamping plate 7 is expediently designed to be relatively rigid.
  • FIG. 16 shows a combination of FIGS. 13 to 15, for example, which fulfills the requirements for a bell-shaped course of the pressing forces and for alleviating the effects of the thermal curvatures with a relatively thin clamping plate.
  • bracketed values are intended to indicate that different (boundary) conditions can be decisive in these areas, such as. B. manufacturability or additional functions of the clamping system.
  • the yoke-like carrier or the clamping plate is composed of several parts, the area moment of inertia combined according to the rules of statics is decisive.
  • the gradations of the moments of inertia can be generated, for example, by recesses or corresponding screw connections.
  • the clamping system according to the invention can preferably be used with partition walls in industrial furnaces, in particular with heating walls of coking furnaces.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Einspannsystem zur Vermeidung von schädlichen Zug- und Schubspannungen in ggf. mehrschichtigen Mauerwerksscheiben, die sowohl thermischen als auch mechanischen Verformungsbeanspruchungen unterliegen und bei denen die Mauerwerkseinspannung durch Einspannplatten erfolgt, auf die die Einspannkräfte der Anker mit Hilfe von jochartigen Trägern und zwischengeschalteten Federn oder Distanzstükken übertragen werden.
  • Bei größeren Trennwandflächen wachsen die unvermeidlichen thermischen und mechanischen Verformungen mit dem Quadrat oder höherer Potenz der Wandhöhe, d. h. überproportional an. Wird demzufolge das Einspannsystem für größere Kräfte entsprechend steifer ausgelegt, so führen Veränderungen der Temperaturfelder und der betrieblichen Lasten zu unkontrollierten, oft extremen und unzulässigen Umlagerungen der Einspannkräfte, d. h. einerseits zu Überbeanspruchungen und an anderen Stellen zu unzureichenden Einspann-Druckkräften. Beide bewirken unzulässig hohe Spannungen.
  • Die Erfindung geht von folgender Zielsetzung aus :
    • - Steigerung der Lebensdauer, dadurch daß Risse vermieden werden, und
    • - die Herstellung größerer, höherer und dünnerer Trennwände.
  • Mit der so erreichten Vergrößerung des nutzbaren Ofenvolumens und der Verbesserung der Nutzungsdauer und der Instandhaltungskosten ist ein wesentlicher Zuwachs an Wirtschaftlichkeit verbunden.
  • Die Aufgabe besteht darin, trotz wechselnder thermischer und mechanischer Verformungen des äußeren Einspannsystems hinreichende Druckvorspannungen in den Trennwänden zu erzeugen und - ständig sicherzustellen, um Zugspannungsrisse zu vermeiden durch Überlagerung entsprechender Druckspannungen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß folgende Merkmale einzeln oder in Kombination verwendet werden :
    • a) daß die Größe der Druckkräfte der Einspannplatten auf das Mauerwerk im normalen Betriebszustand ausgehend von der halben Wandhöhen über eine Länge von etwa 75 % der Wandhöhe zu den oberen und unteren Berandungen der eingespannten Wand hin abfällt nach Art einer Glockenkurve, oder einer parabolischen Funktion.
    • b) daß die Resultierenden der Einspannkräfte im wesentlichen beidseitig je zur Hälfte innerhalb der äußeren 65 mm oder in den Mittelebenen der äußeren Wandschichten angreifen und hierbei gerichtet sind in die Längsrichtung der Wand oder in einem Winkel bis zu 30 Grad in Richtung zur Mittelebene des Wandsystems, wobei sich die Kraftvektoren längs einer Linie in der Wand schneiden, die näherungsweise parallel zur Einspannplatte verläuft,
    • c) daß die Aufrechterhaltung der gewünschten Verteilung der Einspannkräfte über der Länge der Einspannplatten bei allen relevanten Störfällen innerhalb enger Toleranzgrenzen gewährleistet wird dadurch, daß die Konstruktion so gebaut und federelastisch ausgeführt wird, daß die Störeinflüsse verringert werden und die Kraftübertragungskenniinien bzw. die Federeigenschaften der Queranker, der jochartigen Träger, der Einspannplatte und der Andruckelemente dazwischen so ausgelegt sind und bewirken, daß die örtlichen Kräfte im Störfall nicht bzw. nur um 5 bis 20 % verändert werden und
    • d) daß bei Beeinträchtigung der Kraftverteilung durch die Form der Oberflächen oder durch Fertigungstoleranzen die Herstellung und/oder der Ausgleich der Einspannpressung erfolgt, indem diese oberflächlichen Toleranzen in den angrenzenden Bereichen mit Hilfe elastischer oder verformbarer Materialien ausgeglichen werden, welche örtliche Rauhigkeiten von mindestens 2,5 mm Höhe kompensieren.
  • Die Aufgabenstellung wird also erfindungsgemäß als Optimierung der über den Kraftfluß verbundenen Elemente des Gesamtsystems gelöst. Bei seitlicher Flächenbelastung verwölbt sich die Wand auf halber Höhe am stärksten. Um insbesondere hier eine möglichst hohe Stabilität der Wand zu erreichen und um ein Aufreißen des Mauerwerks in den Seitenflächen wie im Kern zu vermeiden, werden die Einspanndruckkräfte der Wand mittig am höchsten gewählt und ihre Angriffsflächen soweit wie möglich seitlich auseinander in die beiden äußeren Randzonen gelegt, wobei die Resultierenden der beiden Randkräfte parallel zur oder in Richtung zur senkrechten Wandmittelebene wirken.
  • Um die gewünschte Druckverteilung bei Störfällen unterschiedlicher Art sicherzustellen, werden die einzelnen Konstruktionselemente des Einspannsystems so federelastisch ausgeführt, daß sie die Störeiflüsse möglichst weitgehend kompensieren.
  • Der Vorteil der vorgesehenen Federelastizitäten im Einspannsystem besteht zum einen in den geringen Verlagerungen der Kraftverteilungen und zum anderen in der damit leichteren und billigeren Bauweise, insbesondere bei größeren Trennwandabmessungen.
  • Die Herstellung der gewünschten Verteilung der Einspannkräfte über der Länge der Einspannplatten kann erfolgen durch eine entsprechende Abstufung der Stärke der Distanzstücke oder durch entspannt eingebaute Federelemente, die z. B. nachträglich durch die Queranker oder die Ofendehnung gepannt werden oder im sogenannten Einschrittverfahren unmittelbar durch Federelemente, die im vorgespannten blockierten Zustand eingebaut werden, und deren Auflager so einjustiert werden, daß sich nach dem Aufheben der Blockade die gewünschte Kraftverteilung ergibt, oder im sogenannten Zweischrittverfahren, zunächst quantitativ genau durch 1 oder mehrere mechanische, hydraulische oder pneumatische Spannelemente, d. h. mit entsprechend einstellbaren Spannwerkzeugen mit vorgegebenen örtlichen Einspannkräften und danach durch justierte Andruckelemente wie Distanzstücke oder Federelemente, die die Kraftverteilung übernehmen. '
  • Andere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Fig. 1 bis 7 verdeutlichen schematisch die Verknüpfungen und Zusammenhänge innerhalb der Einspannsysteme. Zur Einspannung des Wandmauerwerks 9 dienen beispielsweise folgende Konstruktionselemente :
    • 1 oberer Queranker
    • 2 unterer Queranker
    • 3 obere Querankerfeder
    • 4 untere Querankerfeder
    • 5 jochartiger Träger, Ankerständer

    a/b vor/nach der Verformung durch Störeiflüsse (5 a/b in Fig. 4) (z. B. zunehmender Temperaturgradient oder Längung des oberen Querankers)
    • 6 Andruckelemente, Distanzstücke, Bolzen, Federelemente zur Übertragung der Anpresskräfte
    • 7 Einspannplatte, Wandschutzplatte, Panzerplatte

    a/b vor/nach der Verformung durch Störeinflüsse (7 a/b in Fig. 4) wie z. B. zunehmende Temperaturgradienten.
    • 8 Isoliermaterial, Dichtung, Fasermatte.
  • Die Queranker 1 und 2 spannen über Federelemente 3 und 4 den jochartigen Träger 5, der die Andruckelemente 6 gegen die Einspannplatten 7 und 8 preßt.
    • Figur 1 zeigt eine Ausführung mit einem Andruckelement 6,
    • Figur 2 eine Ausführung mit 2 Reihen von maximal je 9 Andruckelementen.
    • In Figur 3 sind die drei Andruckelemente 6 als Federelemente eingesetzt.
    • Figuren 4, 5 und 6 verdeutlichen die Verformungen des jochartigen Trägers 5a und der Einspannplatte 7a bei normaler Länge der Queranker im Vergleich zu den Störfällen mit vergrößerter Länge des Querankers oder verringerter Querankerkraft 5b und 7b. In letzterem Fall überwiegen an den Enden der Verformungskurven des jochartigen Trägers 5 b und der Einspannplatte 7 b die thermischen Krümmungen. Diese entstehen durch das Temperaturgefälle vom Ofeninnern nach Außen und wechseln je nach den Bedingungen des Betriebes und der Witterung.
  • Erfindungsgemäß werden die Vorspannungen in den Trennwänden (9 in Fig. 1) hergestellt entweder direkt durch das Einjustieren vorgespannt blockierter Andrückelemente (6 in Fig. 1) zwischen den Einspannplatten 7 und dem davor angeordneten jochartigen Träger 5 und anschließendes Aufheben der blockade oder zunächst durch einstellbare Spannelemente zwischen der Einspannplatte 7 und dem jochartigen Träger 5, der vorgespannt wird, und danach durch Einjustieren der Andruckelemente 6.
  • Die Vorspannungen in den Trennwänden sollen ständig aufrecht erhalten werden durch die Federeigenschaften des Querankersystems (1- und 3 in Fig. 1), der jochartigen Träger 5, der Einspannplatten 7 und 8 und der Andruckelemente 6.
  • Gemäß Fig. 6 ändert sich die Länge der Queranker 1 und damit die Kraft F der Federn 3 mit den unvermeidlichen Tempperaturschwankungen wie z. B. bei Regenfällen.
  • Mit den angegebenen Federkonstanten können die Laständerungen bei den üblichen Einspannkräften innerhalb der Toleranzgrenzen nach Anspruch 1 gehalten werden. Die Federn an beiden Enden des Querankers können in einer einseitigen Feder mit der halben Federkonstante zusammengefaßt werden, wenn die Kraftänderungen von einer Seite zur andere übertragen werden.
  • In Fig. 7 ist schematisch die Superposition zusätzlicher Verformungen AXtherm und AXmech durch unvermeidliche Änderungen der Temperaturgradienten als Folge der eingetragenen Temperaturänderungen AT2 und AT1 und durch die Änderung AF = q · F der Punktlast F dargestellt.
  • Der Faktor q beträgt nach Anspruch 1 maximal 20 %. Diese Temperaturschwankungen treten in ähnlicher Weise sowohl in den jochartigen Trägern als auch in den Einspannplatten auf.
  • Die Federeigenschaften, insbesondere die Flächenträgheitsmomente werden so festgelegt, daß sich die Änderungen der Biegepfeile an den Kraftangriffspunkten gegenseitig bis auf geringe verbleibende Restverschiebungen so weit wie möglich aufheben, d. h. es gilt näherungsweise Δxtherm= Δxmechanisch.
  • Die vorgesehenen Änderungen der Flächenträgheitsmomente über der Länge bzw. der Höhe sollen die unterschiedlichen Verläufe der thermischen und der mechanischen Biegelinien soweit wie möglich einander annähern, um als verbleibende Restverschiebung eine Parallelverschiebung zu erhalten.
  • Nachfolgend werden weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Ansprüche beispielhaft anhand von Dimensionierungsbeispielen und den beiliegenden Figuren 8 bis 16 erläutert.
  • Es zeigen :
    • Figur 8 Krafteinleitung in die Stirnfläche 10 der Wand 9 nach den Ansprüchen 1, 29 und 30
    • Figur 9 Konstruktionsbeispiele für den jochartigen Träger 5 nach den Ansprüchen 4 bis 8
    • Figur 10 Verlängerter jochartiger Träger nach Anspruch 9
    • Figur 11 Andruckelemente mit Bolzenschrauben, Federn und Kolbenartigen Elementen, sowie Kraftindikatoren nach den Ansprüchen 14 bis 19
    • Figur 12 Federelemente nach den Ansprüchen 18 und 19
    • Figur 13 Anordnung von Andruckelementen nach den Ansprüchen 1 und 20
    • Figur 14 Federelemente zur Dämpfung des Einflusses der thermischen Krümmung des jochartigen Trägers nach den Ansprüchen 1, 21 und 22
    • Figur 15 Systematische Variation der Abstände der Andruckelemente nach Anspruch 24
    • Figur 16 Vorteilhafte Anordnung und Dimensionierung der Andruckelemente.
  • In Fig. 8 sind die resultierenden Kraftvektoren der Einspannkräfte bei einer zweiteiligen Einspannplatte 7a und 7b und die Anpreßflächen 10 auf das Mauerwerk entsprechend Anspruch 1 dargestellt. Die Füllung und Ausbildung der Fuge 8 bzw. 10 zwischen Einspannplatte 7 und Mauerwerk 9 wird in den Ansprüchen 28 bis 30 beschrieben.
  • Figur 9 zeigt zu den Ansprüchen 4 bzw. 4 bis 8 konstruktive Beispiele für die Änderung der Flächenträgheitmomente des jochartigen Trägers. Die Änderungen erfolgen in Form von
    • - variablen Steghöhen (Fig. 9a, b, c, d)
    • - durchlöchertenn bzw. geschlitzten Stegen (Fig. 9c, g, h bzw. 9e)
    • - variablen Flanschstärken (Fig. 9d, e)
    • - variablen Flanschbreiten (Fig. 9f, g, h) oder als
    • - Kombination mehrerer Träger oder Profile (Fig. 9c und h)
  • Figur 10 verdeutlicht den Patentanspruch 9. Hierin sind folgende Konstruktionselemente dargestellt :
    • 21 obere (Zwillings) Queranker, die in Höhe unmittelbar unter der Ofendecke gespannt sind
    • 22 obere Joche
    • 23 Andruckelemente zur Einspannung der Decke
    • 24 Separate Einspannplatte für die Ofendecke
    • 25 Ofendecke (Ausschnitt)
  • Die Vorzüge dieser Konstruktion sind beispielsweise :
    • - wesentlich verstärkte Federwirkung und Energieaufnahme des jochartigen Trägers und
    • - die Möglichkeit zur separaten Einspannung des Ofendeckenbereiches.
  • Aus Figuren 11 und 12 sind zu den Ansprüchen 14 bis 19 verschiedene schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele für die Andruckelemente 6 ersichtlich. Gasdruckbälge 13 nach Fig. 11d können beispielsweise auch so mit dem Druckregler (PC) oder einem entsprechenden Stellungsregler (Positioner) gekoppelt werden, daß die vom Regler verbrauchte Fortluft z. B. als Kühlluft verwendet wird beziehungsweise direkt oben aus dem Gasdruckbalg entnommen wird und so zur Wärmeabfuhr dient.
  • Figur 12 zeigt entsprechend den Ansprüchen 18 und 19 Feder- Andruckelemente 6 entspannt (Fig. 12a) und vorgespannt (Fig. 12b).
  • Die Figuren 13 bis 16 zeigen beispielsweise schematisch die Ausbildung und Anordnung der Andruckelemente 6 als Spiralfedern nach den Ansprüchen 1, 20, 21, 22 und 24.
  • Figur 13 verbildlicht schematisch eine Möglichkeit zur Erzeugung des glockenförmigen Verlaufs der Andruckkräfte nach Anspruch 1 mit gleichartigen Spiralfedern z. B. nach Anspruch 20 bei relativ biegeweicher Einspannplatte 7.
  • Figur 14 gibt demgegenüber an, wie bei annähernd konstanter Streckenlast auf der Einspannplatte 7 die Kraftumlagerungen bei Änderungen der thermischen Krümmungen des jochartigen Trägers 5 entsprechend den Ansprüchen 1, 21 und 22 durch die weicheren Federn 6 in der Mitte weitgehend abgemildert werden. Hierbei wird die Einspannplatte 7 zweckmäßigerweise relativ starr ausgebildet.
  • In Figur 15 wird entsprechend Anspruch 24 eine ähnliche Wirkung wie in Fig. 14 erzielt durch Variation der Abstände der Federelemente 6.
  • Figur 16 zeigt beispielsweise eine Kombination aus den Fig. 13 bis 15, die die Forderungen nach glockenförmigem Verlauf der Andruckkräfte und nach Abmilderung der Wirkungen der thermischen Verkrümmungen erfüllt bei gleichzeitig relativ dünner Einspannplatte.
  • Aus Anspruch 20 errechnet sich beispielsweise für
    Figure imgb0001
    folgende Ungleichung für die Federkonstante
    • 139 kN/m _ Cm .;;; 1 528 KN/m
  • Aus Anspruch 26 errechnet sich beispielsweise als mittleres Flächenträgheitsmoment der Einspannplatte Formelmäßig für :
    • H = 7 m Ofenhöhe, n = 7 Andruckstellen
    • j = 1 Andruckplatte :
      Figure imgb0002
  • Bei einer Rechteckplatte mit b = 0,84 m Breite entspricht dieses einer Plattendicke zwischen 0,1 und 0,215 m.
    • Aus Anspruch 27 ergibt sich formelmäßig beispielsweise für
    • H = 7,2 m Ofenhöhe, j = 1 Platte mit
    • b = 0,84 m Plattenbreite, wie im obenstehenden Beispiel zu Anspruch 26 mit
    • Ij = 22 . 10-5 m4
      Figure imgb0003
  • Die Klammerwerte sollen darauf hinweisen, daß in diesen Bereichen abweichende (Rand-)-Bedingungen bestimmend sein können, wie z. B. Herstellbarkeit oder zusätzliche Funktionen des Einspannsystems.
  • Setzen sich der jochartige Träger oder die Einspannplatte aus mehreren Teilen zusammen, so ist das nach den Regeln der Statik zusammengefaßte Flächenträgheitsmoment maßgeblich. Die Abstufungen der Flächenträgheitsmomente können beispielsweise durch Aussparungen oder entsprechende Verschraubungen erzeugt werden.
  • Das erfindungsgemäße Einspannsystem ist bevorzugt anwendbar bei Trennwänden in Industrieöfen, insbesondere bei Heizwänden von Verkokungsöfen.

Claims (32)

1. Einspannsystem zur Vermeidung von schädlichen Zug- und Schubspannungen in ggf. mehrschichtigen Mauerwerksscheiben, die sowohl thermischen als auch mechanischen Verformungsbeanspruchungen unterliegen und bei denen die Mauerwerkseinspannung durch Einspannplatten erfolgt, auf die die Einspannkräfte der Anker mit Hilfe von jochartigen Trägern und zwischengeschalteten Federn oder Distanzstücken übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß von den folgenden Merkmalen die Merkmale a) und b) einzeln oder gemeinsam und die Merkmale c) und d) in Kombination mit a) und/oder b) verwendet werden :
a) daß die Größe der Druckkräfte der Einspannplatten auf das Mauerwerk im normalen Betriebszustand ausgehend von der halben Wandhöhe über eine Länge von etwa 75 % der Wandhöhe zu den oberen und unteren Berandungen der eingespannten Wand hin abfällt im wesentlichen nach Art einer Glockenkurve oder einer parabolischen Funktion,
b) daß die resultierenden der Einspannkräfte im wesentlichen beidseitig je zur Hälfe innerhalb der äußeren 65 mm oder in den Mittelebenen der äußeren Wandschichten angreifen und hierbei gerichtet sind in die Längsrichtung der Wand oder in einem Winkel bis zu 30 Grad in Richtung zur Mittelebene des Wandsystems, wobei sich die Kraftvektoren längs einer Linie in der Wand schneiden, die näherungsweise parallel zur Einspannplatte verläuft,
c) daß die Aufrechterhaltung der gewünschten Verteilung der Einspannkräfte über der Länge der Einspannplatten bei allen relevanten Störfällen innerhalb enger Toleranzgrenzen gewährleistet wird dadurch, daß die Konstruktion so gebaut und federelastisch ausgeführt wird, daß die. Störeinflüsse verringert werden und die Kraftübertragungskennlinien bzw. die Federeigenschaften der Queranker, der jochartigen Träger, der Einspannplatte und der Andruckelemente dazwischen so ausgelegt sind und bewirken, daß die örtlichen Kräfte im Störfall nicht bzw. nur um 5 bis 20 % verändert werden und
d) daß bei Beeinträchtigung der Kraftverteilung durch die Form der Oberflächen oder durch Fertigungstoleranzen die Herstellung und/oder der Ausgleich der Einspannpressung erfolgt, indem diese oberflächlichen Toleranzen in den angrenzenden Bereichen mit Hilfe elastischer oder verformbarer Materialien ausgeglichen werden, welche örtliche Rauhigkeiten von mindestens 2,5 mm Höhe kompensieren.
2. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder des Querankers so konstruiert und dimensioniert wird, daß die zusammengefaßte Federkonstante C in (N/m) aller Federn des Querankers auf jeder Stirnseite in Abhängigkeit von der Wandhöhe H in (m) und dem Abstand 1 von der halben Wandhöhe in (m) innerhalb folgender Grenzen zu liegen kommt :
Figure imgb0004
wobei a = 10-5 (m2/N) ist.
3. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenträgheitsmoment I in (m4) und damit der Querschnitt des jochartigen Trägers so dimensioniert wird, daß folgende Grenzbedingungen erfüllt werden :
Figure imgb0005
wobei die Wandhöhe mit H in (m) bezeichnet und β = 10-4 (m3) ist.
4. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegesteifigkeit und damit das Flächenträgheitsmoment I des jochartigen Trägers bereichsweise stetig und/oder mit einem oder mehreren Schritten abgestuft von halber Ofenhöhe ausgehend zu den Enden hin abgeschwächt wird.
5. Einspannsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß außer an den Enden das Flächenträgheitsmoment näherungsweise der folgenden Funktion proportional folgt :
Wurzel aus (Abstand vom Queranker dividiert durch Ofenhöhe).
6. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Abschwächungen des Flächenträgheitsmomentes des jochartigen Trägers innerhalb des folgenden Abstandes von den äußersten Kraftübertragungspunkten der Einspannplatte beginnt :
30 % (bzw. 25 %) der Wandhöhe zur Mitte hin und/oder
10 % der Wandhöhe nach oben und
60 % der Wandhöhe nach unten über den letzten Kraftangriffspunkt hinaus.
7. Einspannsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Abstufungen im Bereich zwischen den äußersten und den nächsten oder übernächsten Kraftübertragungspunkten der Einspannplatte erfolgt..
8. Einspannsystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jochartige Träger mit einem auf 65 % bis 80 % reduzierten Trägheitsmoment eingesetzt sind, wobei die jochartigen Träger aus einem Material von mindestens 10 % höherer Zugfestigkeit als der eines üblichen Standardstahles mittlerer Zugfestigkeit mit 370 N/mm2 bestehen.
9. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jochartigen Träger nach oben verlängert sind und über 1 oder 2 Joche indirekt von 1 oder 2 Querankern angedrückt werden, wobei die Reaktionskraft am anderen Ende des Joches bzw. der Joche die Einspannung der Decke bzw. Ofendecke bewirkt.
10. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverformung des jochartigen Trägers durch Temperaturausgleich verringert wird mit isolierender und/oder wärmeleitender Ausrüstung Veränderung der Oberflächenstruktur, oder wärmeleitende Überbrückungen aus dem Bereich des Innenflansches in Richtung auf den Außflansch, wobei unter isolierend auch das Umhüllen mit einem dünnen Blechmantel verstanden wird.
11. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zum Temperaturausgleich des jochartigen Trägers beschränkt bleiben auf den Bereich der angrenzenden Einspannplatte und/oder auf die Vor- und Rückseite oder nur auf die Seitenflächen des jochartigen Trägers.
12. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zum Temperaturausgleich im Bereich des jochartigen Trägers erfolgen in Form wärmestrahlungswirksamer Oberflächenbeschichtung mit hohen Strahlungsabsorptionszahlen an den inneren Flanschseiten des Profils und/oder Oberflächenbeschichtung mit demgegenüber höherer Reflektions- und/oder Isolierwirkung auf einer oder beiden Außenseiten der beiden Flansche des Profils.
13. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverformung des jochartigen Trägers verringert wird durch Temperaturausgleich, wobei die Wärme übertragen wird nach dem Prinzip der geschlossenen Wärmerohre durch verdampfende und kondensierende Wärmeübertragungsmittel und entsprechende Einbauten.
14. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckelemente (6) mit Hilfe von Bolzenschrauben (11) und/oder Indikatoren (12) einzeln auf bestimmte Kräfte einstellbar sind, die an der Einspannplatte (7) angreifen.
15. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe kolbenartiger Wirkungselemente, einem oder mehreren Gasdruckbälgen (13) oder hydraulischem Druck, eine vorgegebenen Kraftübertragung auf die Einspannplatte (7) direkt oder indirekt erzeugt wird.
16. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft-Übertragungselemente (6) als Federelemente ausgeführt werden, deren Federn einstellbar sind zur Erzeugung bestimmter Betriebskräfte, wobei diese Kräfte über die Einspannplatte (7) verteilt werden und eine gewünschte Verteilung der Flächenpressung über der Stirnfläche des Mauerwerks (9) erzeugen.
17. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung der Federkonstanten der Druckfedern in den Federelementen (6) nach dem Kriterium erfolgt, daß auch bei Totalausfall der thermischen Verformungskräfte des jochartigen Trägers (5) und/oder der Einspannplatte (7) die einmal eingestellten Betriebslasten in den Druckübertragungspunkten sich nicht mehr als um ± 15 % ändern.
18. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Federelemente (6) mit geringer Federsteifigkeit für die Kraftübertragung am jochartigen Träger verwendet werden, wobei zur Vereinfachung der Montagen und/oder für eine verbesserte Krafteinstellung die Baulänge der Federelemente durch eine Vorspannung verkürzt und für die Zeit der Montage und ggf. für die Anheizzeit vorübergehend blockiert wird.
19. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorgespannte Federelemente (6) für die Kraftübertragung am jochartigen Träger verwendet werden, deren Einbaulänge im entspannten Zustand zu groß ist für die Montage innerhalb der zur Verfügung stehenden Distanzen.
20. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Anzahl der Andrückelemente n zwischen jochartigem Träger und Einspannplatte und je nach Ofenhöhe H in (m) derartige Federn gewählt werden, daß die zugehörigen Federkonstanten Cm (N/m) in die folgenden Grenzen fallen :
Figure imgb0006
wobei y = 107 (N) ist.
21. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstanten ausgehend von der in Anspruch 20 festgehaltenen Größe Cm in (N/m) als Wert für die Mitte der Einspannplatte zu den Rändern hin abgestuft werden, je nach Mittenabstand I in (m), und Kammerhöhe H in (m), nährerungsweise nach der Formel
Figure imgb0007
22. Einspannsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Federwindungen oder Tellerfedereinheiten und damit die Länge des Federpaketes näherungsweise entsprechend dem Faktor (1 - 4 - 12/H2) von der Mitte zum Rande hin verkürzt wird.
23. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzeln oder in Kombinationen folgende energiespeichernde Andruckfederelemente verwandt werden : Blattfedern, dünnwandige Rohre, rohränlich als Spirale gewickelte Blechpakete, seitlich belastete zylindrische Drahtspiralen, Torsionsfedern oder schubspannungsbeanspruchte Kunststoffpuffer.
24. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand S (m) gleichartiger Andruckelemente untereinander über der Länge H (m) der einzuspannenden Stirnwand unterschiedlich bemessen wird und dabei entsprechend dem Abstand I (m) von der Mitte zum Rande hin vergrößert wird, näherungsweise nach der folgenden Formel, die von dem Abstand S = Sm in der Mitte ausgeht:
Figure imgb0008
25. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckelemente mit einem Wärmestrahlungs- bzw. Flammenschutz versehen sind.
26. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspannung der Stirnseiten des Mauerwerkes mit der Wandhöhe H (m) entweder geteilte Platten verwandt werden, die in j Abschnitte der Länge H/j aufgegliedert sind, oder ungeteilte Platten (j = 1) und die Platten in insgesamt n verschiedenen Höhen mit den Punktkräften des jochartigen Trägers gegen das Mauerwerk gepreßt werden, wobei die Platten so dimensioniert sind, daß das Flächenträgheitsmoment Ij dieser Platten der folgenden Gleichung genügt :
Figure imgb0009
wobei 8 = 10-5 (m2) ist.
27. Einspannsystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Flächenträgheitsmomente Ij (m4) der Einspannplatten mit der Länge H/j (m) entsprechend dem Abstand 1= H/2j - Δl in (m) von der Mitte der einzelnen Platte zu den Lastpunkten an den Enden hin stetig und/oder stufenweise abgeschwächt werden näherungsweise nach der Funktion
Figure imgb0010
28. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßfläche der Einspannplatte gegen das Mauerwerk mit Fasermaterial von mindestens 25 mm Originalschichtstärke gepolstert wird.
29. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßfläche der Einspannplatte eine zwischen 1,2 und 25° geneigte Schräge und die zugehörige Kopfsteinfläche eine Anfasung mit dem gleichen oder einem geringeren Winkel erhält.
30. Einspannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßflächen einseitig oder beidseitig mit einer oder mehreren Nuten und/oder Federn versehen sind.
31. Einspannsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Änsprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung für Trennwände in Industrieöfen.
32. Einspannsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung für Heizwände von Verkokungsöfen.
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