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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