Plastic failure design of unstiffened individual plates and plate assemblies
Agricultural or industrial consumables are stored in different types of storage units depending on the characteristics of the consumable. Tanks usually serve for the storage of liquids and silos usually serve for the storage of solids.
Amongst others, the storage content causes loads normal to the walls of the storage unit which might lead to a plastic failure of the structure, in case of an unfavourable design. Therefore, corresponding design standards are EN 1993‑4‑1 for silos and EN 1993‑4‑2 for tanks. Depending on the planform or the shape of the wall, rather EN 1993‑1‑6 for shell structures or EN 1993‑1‑7 for flat plates is applicable.
In the frame of the current revision of EN 1993‑1‑7 it is envisaged to provide the designer with analytical expressions for the determination of the “plastic collapse pressures” of rectangular plates and plate assemblies under transverse loads. For this reason, numerical investigations have been carried out at the Institute for Metal and Lightweight Structures of the University of Duisburg-Essen regarding the determination of “plastic collapse load factors” of rectangular plates and plate assemblies made of carbon steel. Herein, the “plastic collapse load factors” have been evaluated using the methods of the modified Southwell plot and the Convergence Indicator Plot. Various parameters such as the boundary conditions, geometric dimensions and different load cases – uniform pressure, linear variation of pressure and Janssen variation of pressure for solids – have been investigated to obtain an adequate database of “plastic collapse load factors”. These load factors have been evaluated and served as reference values for the analytical expressions derived in further steps. The final expressions provide “plastic collapse pressures” which may be used for the design of rectangular plates and plate assemblies.
These expressions have been proposed for implementation in the next version of EN 1993‑1‑7 and are valid for specific combinations of boundary conditions to obtain the plastic reference resistance of rectangular plates and plate assemblies.
Landwirtschaftlich oder industriell genutzte Verbrauchsgüter werden, je nach Art des Verbrauchsgutes, in unterschiedlichen Speicherbauwerken gelagert. Beispielsweise werden Tankbauwerke zur Aufbewahrung von Flüssigkeiten und Silobauwerke hauptsächlich zur Lagerung von festen Schüttgütern verwendet.
Innerhalb eines Speicherbauwerkes erzeugen die gelagerten Güter u. a. Belastungen, welche senkrecht auf die Wände des Bauwerks wirken, wodurch, z. B. bei einer ungeeigneten Konstruktion, ein plastisches Versagen des gesamten Bauwerks auftreten kann. Um dies zu verhindern, gibt es im Eurocode die maßgebenden Ausführungsnormen EN 1993‑4‑1 für Silobauwerke und EN 1993‑4‑2 für Tankbauwerke. Je nachdem, wie der Grundriss bzw. die Form der Außenwand des Silo- oder Tankbauwerkes gestaltet ist, wird dann die jeweilige Bemessungsnorm EN 1993‑1‑6 für Schalentragwerke bzw. EN 1993‑1‑7 für ebene, plattenförmige Bauteile maßgebend.
Im Rahmen der aktuellen Überarbeitung der EN 1993‑1‑7 sind neue analytische Gleichungen geplant, welche die Ermittlung des plastischen Kollapsflächendrucks („plastic collapse pressure“) für rechteckige Platten sowie für plattenartige Tragwerke, die senkrecht zur Mittelfläche durch einen Flächendruck belastet werden, ermöglichen. Aus diesem Grund wurden am Institut für Metall- und Leichtbau der Universität Duisburg-Essen numerische Untersuchungen zur Bestimmung von plastischen Kollapslastfaktoren („plastic collapse load factors“) für rechteckige Platten sowie für plattenartige Tragwerke aus Baustahl durchgeführt. Dazu wurden die plastischen Kollapslastfaktoren („plastic collapse load factors“) sowohl mit Hilfe der Methode des „modified Southwell plot“ als auch mit der Methode des „Convergence Indicator Plot“ ausgewertet und anschließend beurteilt. Um eine geeignete Datengrundlage für die Untersuchung der plastischen Kollapslastfaktoren („plastic collapse load factors“) zu erhalten, wurden verschiedene Parameter, wie z. B. die Randbedingungen, die geometrischen Abmessungen der Platten und der plattenartigen Tragwerke sowie unterschiedliche Lastfälle – gleichmäßiger sowie linear veränderlicher Flächendruck und eine Druckverteilung nach Janssen für feste Schüttgüter – untersucht. Die numerisch ermittelten Lastfaktoren dienten dann als Referenzwerte für die im weiteren Verlauf dieser Arbeit aufgestellten analytischen Gleichungen. Diese Gleichungen liefern dann den plastischen Kollapsflächendruck („plastic collapse pressure“), welcher zur Bemessung von rechteckigen Platten sowie plattenartigen Tragwerken verwendet werden kann.
Letztendlich wurden die in dieser Arbeit aufgestellten Gleichungen, die für spezielle Kombinationen von Randbedingungen gültig sind und letztlich den plastischen Referenzwiderstand von rechteckigen Platten und plattenartigen Tragwerken liefern, zur Umsetzung in die nächste Version der EN 1993‑1‑7 vorgeschlagen.