Statische und dynamische Berechnung eines Industrieschornsteines aus Stahlbeton im Vergleich zu Mauerwerk

Bei der Planung des Schornsteines in Stahlbetonbauweise sind die folgenden Bauweisen bzw. Parameter in Betracht zu ziehen: a) benötigte Innenrohrabmessungen und Schornsteinhöhe in Abhängigkeit von den abzuführenden Gasen und Stoffen sowie der zulässigen Schadstoffkonzentration in der Schornsteinumgebung b) Art des Innenrohres (aus Mauerwerk, Stahlrohr, ohne Innenrohr) c) mit oder ohne begehbaren Innenraum zwischen Tragrohr und Innenrohr, falls es ein Innenrohr gibt d) mit oder ohne Wärmedämmung e) Etagen-Innenrohr oder durchgehendes Innenrohr Die in a) genannten Parameter wurden in der Aufgabenstellung bereits vorgegeben. Die Höhe soll 55 m betragen und der Querschnitt des Abgasrohres entspricht der Mauerwerksvariante. Wenn ein Innenrohr vorhanden ist, bietet sich ein begehbarer Innenraum zwischen Tragrohr und Innenrohr an. Die Vorteile schlagen sich vor allem bei den Instandhaltungskosten nieder, da Inspektionen, Wartungs- und Reparaturarbeiten an kritischen Konstruktionspunkten wie der Tragrohrinnenseite oder den Futterstößen mit Kompensatoren (druckdichte Fugenbänder) nur damit durchführbar sind. Dann sollte man auch eine ausreichende Wärmedämmung vorsehen, um die Temperaturen im Innenraum während dieser Arbeiten im laufenden Betrieb erträglich zu halten. Eine Wärmedämmung reduziert zusätzlich die auf das Tragrohr wirkenden Wärmeeinwirkungen und daraus resultierende Spannungen. Ein Schornstein kann aber auch gänzlich ohne ein Innenrohr errichtet werden, wenn die zu erwartenden chemischen und Temperaturbelastungen gering sind (siehe [9] Punkt 2.3 auf Seite 14). Bei modernen Verbrennungsanlagen mit Wärmerückgewinnung und Filteranlagen sind bei kleinen bis mittelgroßen Kesseln die chemische Belastung und die Temperatur im Schornstein erträglich. [...]

Die Stöße des Innenrohrs sind für diese Längenänderung entsprechend auszuführen. Konstruktive Lösungen werden in [9] auf Seite 113 f erläutert. Ein ausreichendes Spiel zwischen Tragrohr und Innenrohr bei Relativverschiebungen muss sichergestellt sein. Das Tragrohr bewegt sich unter Windlast am Schornsteinkopf rechnerisch 6,2 cm seitwärts, das Innenrohr verschiebt sich jedoch nicht mit. Da die Luftschicht zwischen Innenrohr und Tragrohr 5 cm beträgt, das Innenrohr als Etagen-Innenrohr in Segmente unterteilt ist und es durch die direkte Auflagerung des Futters an den Segmentstössen des Tragrohrs keine Engstellen wie bei den Konsolen des Stahlbetonschornsteins gibt, ist ein ausreichendes Spiel sichergestellt. 2.5.2.2 RISSBILDUNG Es ist für die Begrenzung der Rissbreite nachzuweisen, dass die Zugbeanspruchungen die Zugfestigkeit des Mauerwerks nicht überschreiten. Die aufnehmbare Zugfestigkeit für den Mauerwerkstyp C beträgt nach Tabelle 3 auf Seite 14 der DIN EN 13084-4 [...]

Die Schaftöffnung im Tragrohr in der Höhe von 12,20 m hat einen lichten Durchmesser von 92 cm. Es existiert eine Pfeilervorlage aus Mauerwerk mit einer Dicke von 16 cm zur lokalen Verstärkung des Schaftquerschnitts. Die FEM-Berechnung vom 05.07.2001 durch Prof. Dr.-Ing. H.-J. Benz ergab, dass sogar eine Vergrößerung der Öffnung möglich wäre. Diese Berechnung erfolgte nach der alten DIN 1056 und DIN 1055, also nicht nach dem semiprobabilistischen Sicherheitskonzept. Es wird eine FEM-Berechnung des geschwächten Querschnitts mit und ohne Pfeilervorlage in Höhe 12,20 m mit den in Punkt 2.2.2 ermittelten Schnittgrößen (Nd=4433,59 kN, Md=4379,62 kNm) durchgeführt. Zu erwarten sind Spannungsspitzen vor allem im Bereich der seitlichen Öffnungskanten. Ohne Pfeilervorlage beträgt die maximale Spannung 2,24 MN/m² und überschreitet dabei die zulässige Spannung von 2,14 MN/m² geringfügig (siehe grafische Darstellung der FEM-Berechnung in Anhang A, Seite 19 f). Mit Pfeilervorlage beträgt die maximale Spannung 1,55 MN/m² und bleibt damit deutlich unter der zulässigen Spannung. Die Untersuchung der Normalspannungen im geschwächten Querschnitt ergibt, wie zu erwarten war, ähnliche Ergebnisse wie die Berechnung nach alter DIN. Torsionsmomente können im Bereich von Querschnittsöffnungen durch die Verschiebung der Schwerpunktlage aus dem Kreismittelpunkt entstehen. Bei Querschnitten im Bereich von Öffnungen können dadurch und durch die geringere Querschnittsfläche höhere Schubspannungen als im ungeschwächten Querschnitt auftreten. Beides wird hier nicht maßgebend, da die Pfeilervorlage den Schwerpunkt annähernd mittig hält und zusätzliche Querschnittsfläche den Querschnittsverlust durch die Öffnung ausgleicht. Die grafische Darstellung der FEM-Berechnung zeigt anschaulich, dass ein Klaffen der Fuge über die 2. Kernweite nicht erfolgt (siehe Anhang A, S. 19 f). [...]