Hinweise zur Bemessung

Typische Einwirkungen

Die Behälter werden üblicherweise für Vollfüllung unter Berücksichtigung der Dichte des Speichermediums sowie zusätzlich für den maximal möglichen Gasüberdruck bemessen. In den Wänden kreisförmiger Behälter entstehen aus dem Füllgut Ringzugkräfte, die über schlaffe oder ringförmig vorgespannte Bewehrung aufgenommen werden. Am Anschlusspunkt Boden-Wand entsteht eine leichte Einspannung, deren Biegemomente durch eine vertikale innenliegende Bewehrung aufgenommen werden.

Die verspannungsfreie Lagerung der Rührwerkstechnik und die in die Behälterwand oder Behälterdecke einzuleitenden Lasten – z. B. bei der Auflösung von Sink- und Schwimmschichten - sind bei der Bemessung ebenso zu berücksichtigen wie die sich aus Begehbarkeit, Befahrbarkeit und Schneelast ergebenden Lasten der Decken.

Nachgärer werden im Wesentlichen wie Fermenter ausgebildet, jedoch mit dem Unterschied, dass sie in Intervallen gefüllt und entleert werden (können) und oft unbeheizt sind. Die Intervallbefüllung muss bei der Tragwerksplanung berücksichtigt werden, da das vom Fermenter kommende Substrat immer aufgeheizt ist. Bei Gärrestlagern entstehen verglichen mit reinen Güllelagerbehältern zusätzlich Beanspruchungen durch Temperatur und Gaseinwirkung.

Die Bodenplatte eines Fermenters als Rundbehälter ist eine elastisch gebettete Stahlbeton-Kreisplatte mit einer Flächenlast infolge Eigenlast der Bodenplatte und der Behälterfüllung. Am Plattenrand ist eine linienförmige Lasteintragung durch die Behälterwand und in Plattenmitte eine punktförmige Lasteintragung durch die Stütze für den oberen Fermenterabschluss vorhanden. Am Plattenrand und in der Plattenmitte ergeben sich dadurch Konzentrationen des charakteristischen Sohldrucks.

In Anlehnung an DIN 11622-1 sind die Bauteile mindestens 18 cm dick auszuführen [2].

Zwangsspannungen

Sowohl die Beschickung der Behälter mit erwärmten Substrat als auch die Beheizung der Behälter kann zu Temperaturdifferenzen in den Bauteilen und damit bei Behinderung der entsprechenden Verformung zu Zwangsspannungen führen, die bei der Bemessung berücksichtigt werden müssen.

Bei der Beheizung der Fermenter und Nachgärer unterscheidet man folgende Verfahren:

  • Heizleitungen nur in die Bodenplatte einbetoniert
  • Heizleitungen auf der Bodenplatte montiert (meist nur bei Nachrüstungen)
  • Heizleitungen nur in die Wand einbetoniert
  • Heizleitungen vor der Wand montiert
  • Kombinationen der obengenannten Anordnungen
  • Externe Aufheizung (Umlaufverfahren), evtl. kombiniert mit anderen Verfahren.

Je nach Anordnung der Heizleitungen und Wärmedämmung entstehen unterschiedliche Beanspruchungen. Eine äußere Wärmedämmung sorgt bei mittig einbetonierten Heizleitungen für eine über das Bauteil gleichmäßige Temperatur, so dass keine zusätzliche Bewehrung für die Aufnahme von Zwangsspannungen für diesen Lastfall erforderlich ist. Bei Verzicht auf eine äußere Wärmedämmung können Temperaturdifferenzen bis zu 40 °C auftreten, die auf der „kalten“ Seite bis zu 12 kg/m² zusätzliche Bewehrung erfordern.

Bei einer beheizten Bodenplatte führen die Ausdehnungen der Bodenplatte zu Zugspannungen in der anschließenden Wand, die über zusätzliche Bewehrung aufgenommen werden müssen.

Grenzzustände der Tragfähigkeit (GZ 1)

Der Grenzzustand der Tragfähigkeit ist ein Zustand, dessen Überschreitung zu einem rechnerischen Versagen des Tragwerks führt. Dabei sind verschiedene Bemessungssituationen zu berücksichtigen:

  • Ständige Situationen (übliche Nutzung)
  • Vorübergehende Situationen (z. B. Instandsetzung)
  • Außergewöhnliche Situationen (z. B. Anprall)
  • Situationen infolge Erdbeben

Bei Fermentern umfassen die Grenzzustände der Tragfähigkeit die Nachweise der Sicherheit gegen Aufschwimmen, Grundbruch und Gleiten sowie den Nachweis der Sicherheit gegen Materialversagen der Bodenplatte.

Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2)

Beim Überschreiten des Grenzzustands der Gebrauchstauglichkeit werden die für die Nutzung festgelegten Bedingungen nicht mehr erfüllt. Die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit beziehen sich bei Stahlbeton-Fermentern vor allem auf:

  • Rissbildungen, die voraussichtlich die Funktionsfähigkeit, die Dauerhaftigkeit oder das Erscheinungsbild des Fermenters nachteilig beeinflussen,
  • Verformungen und Verschiebungen, die eine effektive Nutzung des Tragwerks beeinträchtigen oder zu Schäden führen (z. B. Setzungsdifferenzen, die ein Abscheren von Leitungen zur Folge haben).

Bei Fermentern ist der Rechenwert der Rissbreite wk = 0,2 mm bei einer quasi-ständigen Belastungssituation nicht zu überschreiten. In Bereichen, in denen keine direkte Ermittlung des Rechenwertes der Rissbreite erfolgt, ist eine Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite nach DIN 1045 bzw. DIN EN 1992-3 anzuordnen. Zwangsspannungen können über eine Vorspannung überdrückt werden.

[1] Max Pflug: Biogas-Anlagen aus der Sicht des Behälterbauers. Bauen für die Landwirtschaft 1-2003, S. 20

[2] Zement-Merkblatt LB 14 "Beton für Behälter in Biogasanlagen"

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Hinweise zur Bemessung

 

 

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