Schlussbericht
zum Vorhaben
Thema:
Erforschung neuer Lösungen für textile Biogasspeichersysteme
Zuwendungsempfänger:
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut Entwerfen und Bautechnik Fachgebiet Bautechnologie
Prof. Dr.-Ing. Rosemarie Wagner Förderkennzeichen:
22403315 Laufzeit:
01.09.2016 bis 31.03.2019 Monat der Erstellung:
06/2019
Verfasser: Dipl.-Ing. Kai Heinlein Dr.-Ing. Bernd Sum
Prof. Dr.-Ing. Rosemarie Wagner
Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) als Projektträger des BMEL für das
Inhaltsverzeichnis
I. Ziele ... 1
1. Aufgabenstellung ... 3
2. Stand der Technik ... 6
3. Zusammenarbeit mit anderen Stellen ... 10
II. Ergebnisse ... 11
1.1. Wissenschaftliche Recherche und Anforderungsspezifikation zur Untersuchung der Lastfälle und Systemantworten | AP 1.1 11 1.2. Konzeption und Auslegung der membranbezogenen Anlagenkomponenten | AP 2.1 12 1.3. Labormesstechnik und Auswertungsmethodik für die Bestimmung multiaxialer Eigenschaftsprofile von Membranen | AP 3.1 18 1.4. Membraneigenschaften und Nahtfestigkeit und deren Abhängigkeit von Material und Struktur | AP 4.1 33 1.5. Erforschung der theoretischen / konzeptionellen Grundlagen für die Beschreibung von Membranfaltung und Membranbelastung | AP 5.1 62 1.6. Modellierung der Zusammenhänge zwischen Umgebungsbedingungen, Innendruck, Temperatur und Gasmasse | AB 6.1 70 1.7. Berechnung der Lastfälle und Einbeziehung der Materialeigenschaften | AP 7.1 126 1.8. Ableitung von Bemessungsvorgaben und Abminderungsfaktoren | AP 8.1 129 1.9. Experimentelle Validierung der Speichertechnik | AP 9.1 135 2. Verwertung... 137
3. Erkenntnisse von Dritten ... 138
4. Veröffentlichungen ... 139
Abkürzung Beschreibung Abkürzung Beschreibung VAusgangszustand Luftvolumen im Behälter
unter Überdruck in m3
m Masse in kg
VBehäleter Volumen der
Behältergeometrie in m3
mLuft−Stützluftraum Masse der Stützluft in kg VStützluftraum Volumen des
Stützluftraums in m3
∆mZu/Ab Zu und Abgeführte Masse ρLuft Dichte der Luft
(Standardwert 1,2 kg/m3)
∆mZu Differenz der Masse durch den Lüfter in kg
ρ𝐿 Berechnete Dichte der Luft in kg/m3
∆mAb,Leckage Differenz der Masse durch Leckage in kg
ρLuft,zu Dichte der Zuluft in kg/m3 ṁLeckage Massenstrom der Lekage in kg/s ρLuft,Ab Dichte im Stützluftraum in
kg/m3
V̇ Volumenstrom m3/s
ρLuft,Ab,n Dichte im Stützluftraum in kg/m3 zum Zeitpunkt n
V̇Lüfter Volumenstrom des Lüfters in m3/s
PAusgang Überdruck, als Absolutdruck in Pa
PAnlage Anlagenkennlinie in Pa P0
PAbsolut,Umgebung
Absolutdruck der Umgebung in Pa
q Staudruck in Pa
𝑃𝑀 Druck aus der
Gewichtskraft der Membran in Pa
v Differenz der
Windgeschwindigkeit in m/s
PNeu Neuer Absolutdruck in Pa k isentropen Exponent mit 1,4
PAbsolut,Stützluftraum Absolutdruck im Stützluftraum in Pa
RsLuft spezifischen Gaskontante der Luft
287,058 J/(kg*K)
p Differenz des
Stützluftdrucks
wLeckage Geschwindigkeit der Leckageöffnung in m/s TAusgang Ausgangstemperatur in K wLeckage,n Geschwindigkeit der
Leckageöffnung in m/s zum Zeitpunkt n
T𝑈𝑚𝑔𝑒𝑏𝑢𝑛𝑔 Umgebungstemperatur in K
t1 Entleerzeitraum 1 in sec TStützluftraum Temperatur des
Stützluftraums
𝑡2 Entleerzeitraum 2 in sec TNeu Neue isocore Temperatur
in K
A Fläche m2
ALeckage Leckagefläche in m2 ALeckage Mittlere Leckagefläche in
m2
Tabelle 1 Abkürzungsverzeichnis
I. Ziele
Gesamtziel
Textile Gasspeichersysteme stellen bei geeigneter technischer Auslegung aufgrund geringer Investitions- und Unterhaltsaufwände eine ökonomisch attraktive und technisch sinnvolle Methode zur Biogasspeicherung dar. Um dieses Potential zugänglich zu machen besteht jedoch erheblicher Forschungsbedarf, da
bei aktuell gängigen Bauformen nur ein begrenztes Speichervolumen zur Verfügung steht und z. B. Bedarfsschwankungen kaum ausgeglichen werden können,
weder für Anlagenneubau noch für die erforderliche Modernisierung einer Vielzahl von veralteten Ausführung geeignete Berechnungswerkzeuge und Konstruktionsverfahren verfügbar sind und
nach aktuellem Stand keine fundierten Vorgaben und Berechnungsgrundlagen für die angemessene Auslegung der Speicher und die Definition erlaubter Betriebszustände (z. B.
Druckregelung) verfügbar sind.
Vor diesem Hintergrund zielt das Vorhaben auf die Erforschung der Grundlagen für eine neuartige Bauform von Biogasspeichern. Durch Berücksichtigung der Umgebungseinflüsse
(Windverhältnisse, Schneelast, Temperatur-, Druck-, Volumenschwankungen etc.) und betriebsbedingten Belastungen (Druckänderungen, Faltung und Dehnung der Membran etc.) werden Betriebssicherheit und Gebrauchsdauer gegenüber bisherigen Ausführungen signifikant erhöht. Hierfür angezielte Neuerungen erstrecken sich von der Konstruktion über das Material- und Struktur-Konzept bis hin zu Befestigungstechniken und Fügekonzepten.
Als Grundlage für eine fundierte Neuentwicklung werden die wissenschaftlichen Voraussetzungen erarbeitet, um eine realitätsnahe Beschreibung und Analyse der relevanten Lastfälle zu
ermöglichen – hier insbesondere dynamische Windbelastung und Schneelasten und Berücksichtigung der variablen Betriebszustände (Innendruck). Neben den einwirkenden Belastungen muss aber auch die Reaktion von Material und Struktur des Speichers auf diese Belastungen verstanden und modelliert werden. Übergeordnetes Ziel ist die Darstellung der Last- Struktur-Interaktionen unter Einbeziehung aller zurzeit bekannten und relevanten Einflussgrößen.
Die theoretischen Erkenntnisse und deren mathematische Formalisierung werden auch genutzt, um die Grundlagen für ein Software-Tool zur Berechnung der Auslegung konkreter Biogasspeicher entsprechend dem jeweils zu erwartenden Belastungsprofil zu erarbeiten. Hiermit wird auf eine signifikante Lücke im Stand der Technik gezielt, insofern aktuell keine angemessene
softwarebasierte Unterstützung für Planung und Konstruktion von Biogasspeichern verfügbar ist.
Als Ergänzung zur Erreichung anwendungstauglicher Gesamtergebnisse ist eine umfassende experimentelle Begleitung der theoretischen Forschungsarbeiten geplant, was auch die
Entwicklung neuer Vermessungsmethoden an Modellen und im Windkanal einschließt. So wird eine experimentelle Unterstützung der Forschung und Validierung der theoretischen Ergebnisse ermöglicht.
Teilziel KIT-Fachgebiet Bautechnologie
Projektziele dieses Teilprojekts liegen einerseits in der experimentellen Bestimmung von
Membraneigenschaften und der Untersuchung von Reaktionen der Außen- und Gasmembran in Abhängigkeit zu den Volumenänderungen unter praxisrelevanten Belastungen. Hierfür sind zunächst methodische Grundlagen zu entwickeln im Bereich mehrachsiger Belastungsversuche und für die Vermessung des Membranverhaltens in pneumatisch abgeschlossenen Situationen.
Die Vermessung unterschiedlicher Membranmaterialien und –strukturen einschließlich Naht- und Randbefestigung führt zu differenzierten, anisotropen Eigenschaftsprofilen von Material und Struktur und dient als Grundlage für die anschließende Erforschung einer systematischen
Beschreibung des Membranverhaltens im Gesamtsystem des Doppelmembran-Biogasspeichers.
Unter Nutzung dieser experimentellen Untersuchungen im Labor und an der Versuchsanlage in Kombination mit den Messergebnissen der Partner (insbesondere Wacker) zu den Klimaeinflüssen erforscht das KIT gemeinsam mit technet die Beschreibung der Wechselwirkungen der
unterschiedlichen Einflüsse und Größen mit dem Gasspeichersystem – und zwar sowohl für geschlossene wie auch für offene Systeme (hier einschl. zugehöriger Massenströme). Ein wesentlicher Fokus liegt dabei auf praktischen Aspekten der Lastabtragung und relevanten Lastfallkombinationen vor dem Hintergrund der Einflüsse der Materialeigenschaften, der Geometrie und des Zuschnitts der Membran.
1. Aufgabenstellung
Arbeitspakete (AP) Beschreibung AP 1.1:
Wissenschaftliche Recherche und Anforderungsspezifikation zur Untersuchung der Lastfälle und Systemantworten
Aktualisierung der wiss. Recherche zu
mechanischen Eigenschaften von beschichteten Geweben
Verformungs- und Versagensverhalten von beschichteten Geweben
Innendruck-gestützten Konstruktionen und Interaktion von Luftmasse und Membran
Auswertung der technischen Fragestellungen mit den Schwerpunkten:
2D-Messung der mechanischen Gewebeeigenschaften
Theoretische und numerische Ansätze für die Modellierung von Membranen und geschlossenen Luftvolumina
Erarbeitung eines Konzepts der Messtechnik für den Versuchsbau (Sensorik, prädiktive Steuerung, Stützluftsystem etc.)
Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse; Diskussion mit den Partnern zur (Schnittstellen-)Abstimmung der Teilprojekte
AP 2.1:
Konzeption und Auslegung der membranbezogenen
Anlagenkomponenten
Vorbemessung und Zuschnitte der Membranen für den Versuchsbau
Berechnungen und Untersuchungen zu den Luft- und Gasvolumen in Abhängigkeit zur Geometrie der äußeren Membran und der Gasmembran
Berechnungen und Untersuchungen zu Volumenströmen in Abhängigkeit zu Temperaturänderungen, äußeren Einwirkungen und
Betriebszuständen. Spezifikation der Druckregelungsaggregate
Dimensionierung von Zu- und Ablassöffnung in Abhängigkeit zu den Volumenströmen
AP 3.1:
Labormesstechnik und Auswertungsmethodik für die Bestimmung multiaxialer Eigenschafsprofile von Membranen
Erforschung geeigneter messtechnischer Ansätze für die praxisnahe Charakterisierung mechanischer Eigenschaften von Membranen (inkl.
Nähte und Variation des Fadenwinkels)
Konzeption von Auswertungsmethoden für die Bestimmung möglichst einfacher und dennoch aussagekräftiger Kenngrößen (E-Modul als Anfangssteigung versus Stress/Strain-Gesamtcharakter, Verhalten bei wiederholten Belastungszyklen, etc.)
Entwicklung der Messtechnik zur Analyse der Gewebeeigenschaften unter multi-axialer Belastung
Entwicklung von Messmethoden zur aussagekräftigen Quantifizierung von Nahtfestigkeit und Knick /Faltcharakteristik
Verformungsmessung der äußeren Membran und der Gasmembran
Entwicklung einer Steuer- und Regelungseinheit für den Innendruck und Volumenströme
Testen der Steuer- und Regelungseinheit im Labor
Erstellen von Mengenlisten und Bauplänen, Einbau der Komponenten in die Versuchsanlage und Testen der Messtechnik (Temperatur etc.) AP 4.1:
Membraneigenschaften und Nahtfestigkeit und deren Abhängigkeit von Material und Struktur
Konzeption und Durchführung biaxiale Belastungsversuche an repräsentativen Membranmaterialien nach Stand der Technik
Untersuchung alternativer Materialkonzepte anhand biaxialer Belastungsversuche
Analyse von Membraneigenschaften bei Umschließung eines variablen Volumens (Zusammenfalten und Aufblasen)
Laboruntersuchungen zu Faltungsprozessen
Bestimmung von Dichtigkeit und Zugfestigkeit nach einer Vielzahl von Lastzyklen.
Untersuchung des Eigenschaftsprofils von Nähten und alternativen Fügevarianten von Membranen
Experimentelle Bewertung der Eignung unterschiedlicher Nahtausführungen für die ermüdungsfreie Weiterleitung biaxialer Spannungen
Zusammenstellung von Messprofilen über bestimmte Zeiträume
Entwickeln und Programmieren einer Auswertungssoftware
Auswertung und Zusammenfassung der Messergebnisse; Diskussion mit den Partnern
AP 5.1:
Erforschung der theoretischen / konzeptionellen Grundlagen für die Beschreibung von
Membranfaltung und Membranbelastung
Erforschung von Beschreibungskonzepten für Faltungsvorgänge
Formalisierung der Einflüsse von Material und Struktur auf die Faltungsvorgänge
Ableitung von Merkmalen wie Gebrauchsbeanspruchung durch Knickvorgänge und (lokale) Materialspannungen auf die jeweiligen Faltungskonfigurationen
Materialspannungen aus den jeweiligen Faltungskonfigurationen
Beschreibung des Verhaltens von Nähten bei nicht fadenparallelem Fügen von Gewebebahnen
Beschreibung der Kennwerte für beliebige zweiachsiger Spannungszustände
Integration von Berücksichtigungsmöglichkeiten der Einwirkungen infolge Schnee, Wind, Sonneneinstrahlung und Schwankungen des
Atmosphärendrucks (gemeinsam mit Fa. Wacker)
Formalisierung der Wechselwirkungen mit Befüll- und
Entleerungsvorgängen und den zugehörigen Massenströmen (gemeinsam mit Fa. Seybold)
AP 6 . 1 : Modellierung der
Zusammenhänge zwischen der Membran und den
Außeneinflüssen sowie Einwirkungen seitens des Gasspeichervolumens (Statik)
Untersuchung der Voraussetzungen und Erarbeitung des grundsätzlichen Modellierungskonzeptes
Definition sinnvoller Teilfragestellungen; Diskussion und Abstimmung mit technet und Wacker
Erforschung der mathematischen Modellierungsansätze und Umsetzung der Modellierung, Fokus liegt auf der Modellierung der Zusammenhänge zwischen Umgebungsbedingungen, Innendruck, Temperatur und Gasmasse
Integration / Kopplung der Teillösungen
Verifikation durch vergleich der Modellierungsergebnisse mit den Messungen von unterschiedlichen Lastfallkombinationen für die Membranabdeckung:
gefüllter Gasspeicher / leerer Gasspeicher
Gasspeicher der gerade befüllt / geleert wird
weitere Kombinationen von Volumina, Innendruck und verschiedenen Volumenströmen
Überarbeitung der Modellierung entsprechend den Ergebnissen der Verifikation (s.o.)
AP 7 . 1 :
Berechnung der Lastfälle und Einbeziehung der
Materialeigenschaften
Bestimmung maßgebender Lastfälle
Erarbeitung von Überlagerungsregeln für die Lastfälle
Integration mechanischer Kennwerte der Werkstoffe (einschl. biaxiale Belastung)
Umfassende Diskussion mit technet zu wissenschaftlichen Fragen im Kontext der Modellnutzung für die Software
AP 8 . 1 : Ableitung von
Bemessungsvorgaben und Abminderungsfaktoren
Entwickeln eines Bemessungskonzepts für Anlage und Betriebstechnik
Bestimmen von Abminderungsfaktoren für die Festigkeiten
Erarbeitung von Vorgaben für Volumenströme und Innendruck im Stützluftbereich
AP 9 . 1 :
Experimentelle Validierung der Speichertechnik
Erarbeitung von Ausführungsvarianten gemäß Bemessungskonzept (AP 8.1)
Erarbeiten von Lösungen auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse aus den Module 3 bis 6
Vermessung von Membranmustern zur Bewertung unterschiedlicher Fügeverfahren
Zusammenfassung der Ergebnisse und Diskussion mit den Partnern AP 1 0 . 1 :
Abschließende Vermessung ungünstiger Lastfallkombinationen.
Erarbeitung eines Konzepts zur Aufrüstung der Versuchsanlage
Umrüsten der Versuchsanlage und Messeichrichtung
Aufrüsten und Anpassen an besondere Situationen / Lastfallkombinationen
Zusammenfassende Auswertung, Dissemination
Durchführen von Versuchen, insbesondere Validierung der Abminderungsfaktoren für die Festigkeiten
Auswerten der Messdaten
Überprüfen der entwickelten theoretischen Modelle, der Berechnungssoftware und des Bemessungskonzepts
Erstellen von Berichten
Veröffentlichen der Ergebnisse auf Fachveranstaltungen
Diskussion der Ergebnisse mit den relevanten Normungsgremien und dem Fachverband Biogas e. V.
2. Stand der Technik
Stand der Wissenschaft und Technik
Die Bauweise von Gasgestützten Membranen wird seit ca. 50 Jahren für Überdachungen in der Architektur genutzt. Traglufthallen wurden zur Überdachung von sehr großen Spannweiten bis in die 1980er Jahre international zahlreich gebaut. Die Witterungsanfälligkeit dieser Bauweise zeigt sich eindrücklich darin, dass nahezu jede große derartige Stadionüberdachung in den USA ein- oder mehrmals bei Sturm kollabiert ist. In den letzten 20 Jahren hat die Bauweise als
wirtschaftliche Abdeckung von Becken in der Umwelttechnik und bei Biogasanlagen wieder an Bedeutung gewonnen und die Sensibilität der biegeweichen Abdeckungen gegenüber
Umgebungsbedingungen und Betriebszuständen ist auch hier durch häufig auftretende Schadensfälle bekannt.
Wissenschaftliche Grundlagen
Wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit der Interaktion zwischen Umgebungsbedingungen, Luft- und Gasmasse, Massen- und Volumenströmen befassen fehlen bis heute. Ebenso gibt es keine fundierten Untersuchungen zu den Einflüssen der Konfektionierung auf das Verformungsverhalten der äußeren Membran und Gasmembran. Die Besonderheit der Betrachtungen liegt in der
Trennung in Luft- und Gasvolumen und der Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen beiden Volumina abhängig von den Umgebungsbedingungen und dem Betriebszustand der Anlage. Dabei ist grundsätzlich zu beachten, dass bei den betrachteten Speichersystemen sehr große
Gesamtvolumina (7.000-10.000 m³) vorliegen, deren Eigenschaften und Dynamik von nur sehr geringen Druckdifferenzen abhängt. Hieraus ergeben sich spezielle und bisher mangels wissenschaftlicher Grundlegung nicht systematisch zugängliche Eigenschaften.
Für Tragluftbauten gibt es die DIN 4134 (Literatur 1) aus dem Jahr 1983, in der Angaben zu Berechnung, Ausführung und Betrieb solcher Bauten gemacht werden. In dieser Norm fehlen aber z. B. Angaben zur Veränderung des Innendrucks abhängig von den Umgebungsbedingungen.
Auch können auf Grundlage dieser Norm die in der Praxis sehr häufigen Versagensfälle bei Sturm nur mangelhaft erklärt werden. Die weitreichenden Mängel in der bisherigen Normvorgabe und Zulassungspraxis sind auch Gegenstand aktueller Diskussionen und laufender
Verbesserungsansätze in den einschlägigen Gremien und Arbeitskreisen (z. B. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Clearingstelle EEG, Fachverband Biogas e. V.).
Das Gasvolumen in Membrangasspeichern wird mit dem vereinfachten Gasgesetz
Temperaturabhängig ermittelt. In der Berechnung fehlt die Interaktion des Gasvolumens mit dem Luftvolumen, welchen extrem von den Umgebungsbedingungen abhängig ist und über die Gasmembran mit dem Gasvolumen interagiert.
Zum Knickverhalten von beschichteten Geweben und Folien gibt es den Dauer-Knickversuch nach DIN 53359 (Literatur 10), der auch für die verwendeten Membranen durchgeführt wird. Dieser hat allerdings nur eine geringe Aussagekraft hinsichtlich der für die Gasmembran relevanten
Knickbeständigkeit. Es ist aus dem textilen Bauen bekannt, dass bei der Montage von Membran- Dächern Knicke entlang von Falten wandern und zu Schädigung der Beschichtung führen. Es ist durchaus möglich, dass in der Gasmembran ähnliche Walkvorgänge auftreten, die zu einer größeren Undichtigkeit führen – die genauere Sachlage ist auch hier bisher unbekannt.
Eine Norm zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer geschweißten Naht für beschichtete Gewebe und Folien fehlt. Für die baupraktischen Anwendungen werden in DIN 4134 (Literatur 1) , DIN 18204 (Literatur 3) und dem Tensinet Design (Literatur 2) Guide Vorgaben für die Festigkeiten von Schweißnähten und für deren messtechnische Bestimmung gemacht, wobei der Verlauf der Schweißnähte Fadenparallel ist. Die Versuche werden bei 23°C und 70°C durchgeführt.
Erfahrungen der Fa. Seybold sind, dass bei dunklen Abdeckungen auf der Oberfläche Temperaturen von deutlich über 70°C auftreten können.
Aus der Literatur (Literatur 4) ist bekannt, dass flache Abdeckungen hinsichtlich der Umströmung von Wind günstiger sind als hohe, halbkugelförmige Abdeckungen. Es gibt bei ersteren nur Sogbelastungen auf die Dachflächen und keine Druckbelastung. Bei Halbkugeln ergibt sich hingegen auf ca. 30 % der windzugewandten Seite eine Druckbelastung und im Polbereich eine hohe Sogbelastung. Die zugehörigen Verformungen ändern das Luftvolumen und es ist
unbekannt, welche Auswirkungen diese dynamischen Volumenänderungen auf das innere Gasvolumen haben.
Erst durch die im Projekt angezielte Erfassung der umgebungsbedingten Zustände, die Kenntnis der Bewegung und Verformung der Gasmembran, Erforschung der Faltenbildung und möglicher Schädigungen der Beschichtung, Informationen über die Temperaturen auf der Oberfläche der Außenmembran, Festigkeiten von Nähten, die keinen Fadenparallelen Verlauf haben, Entwicklung optimierter Zuschnitte und Polkappenausbildung etc. werden die erforderlichen Grundlagen
geschaffen, um wesentlich robustere, dauerhaftere und insgesamt wirtschaftlichere Gasspeichersysteme planungssicher zu realisieren.
Hinsichtlich IT-basierter Planungs- und Berechnungswerkzeuge für Membran-Biogasspeicher ist ein ausgesprochen rudimentärer Stand der Technik gegeben: Mangels spezifischer Tools werden hier Software-Lösungen für die Auslegung von z. B. membranbasierten Flächentragwerken oder andere Lösungen für die allgemeine Berechnung und Modellierung von Membranen verwendet.
Diese Werkzeuge basieren auf Finite-Elemente- Methoden und sind improvisiert an die Erfordernisse des vorliegenden Kontexts anzupassen – verbunden mit gravierenden Einschränkungen und klaren sachlichen Mängeln.
Als wesentliche Mängel sind hier zu nennen:
So weit es überhaupt möglich ist, einen Innendruck in die Berechnung von Lasten und Lastabtragung einzubeziehen, nur mit einer konservative Innendrucklast gearbeitet werden kann, d. h. mit einer in Betrag und Richtung über die Verformung des Elements konstanten Drucklast. Somit wird ein Großteil der tatsächlichen Systemcharakteristika a priori vollständig ausgeblendet.
Auch die Bestimmung optimaler Formauslegungen – z. B. des Membranrandbereichs bzw.
der Grundflächenform – ist mit vorhandenen Werkzeugen nicht möglich, und die unterschiedlichen Eignungen etwa von polygonalen, elliptischen oder kreisförmigen Ausführungen können nicht erfasst werden.
Im Übrigen wird das prinzipiell mögliche Funktionsprofil von aktuellen Softwarelösungen schon aufgrund des begrenzten Grundlagen- und Methodenwissen signifikant eingeschränkt.
Aufgrund der vielfältigen Beschränkungen werden Softwarewerkzeuge bisher nur in Einzelfällen eingesetzt. Überwiegend findet keine weitergehende Berechnung oder einzelfallspezifische
Auslegung statt, sondern es wird auf Grundlage der – ebenfalls stark begrenzten – Normvorgaben
„einfach gebaut“. Die praktischen Konsequenzen zeigen sich unübersehbar in den kurzen Standzeiten aktueller Membran-Biogasspeicher, der hohen Versagensanfälligkeit, mangelnder Wirtschaftlichkeit, schleppenden Genehmigungsverfahren Mangels verbindlicher Regelungen, einer zunehmend problematischen Versicherungs-Situation angesichts unkalkulierbarer Schadensrisiken etc..
Bautechnik und Ausführung von Dach- /Speichersystemen für Biogasanlagen Biogasspeicher nach Stand der Technik haben eine relativ flache Bauweise und dadurch bedingt eine relativ niedrige Speicherkapazität pro Grundfläche. Selbst Ausführungen, die allen gültigen Normen entsprechen (DIN, EC, BSJ), sind nicht immer angemessen ausgelegt und nicht über lange Zeiträume sowie bei allen auftretenden Wettersituationen tatsächlich versagenssicher.
Als Konsequenz diese Sachlage sind aufgrund begrenzter Gewährleistungszeit bzw. wegen akuter technischer Mängel innerhalb der kommenden 5 Jahre ca. 80% der in Deutschland betriebenen Speicher auszutauschen – allerdings stehen aktuell keine neuen, gegenüber den
Bestandsanlagen tatsächlich verbesserten Ausführungstechniken zur Verfügung.
Tabelle 2 | Vergleich von Stand der Technik und Projektzielen bezüglich des Speichersystems
Merkmal Stand der Technik Projektziel
Speichervolumen pro Grundfläche [m3/m2]
3,2 8,0 - 10
Auslegung gemäß tatsächlich auftretender Lastfälle
Nein, dadurch viele Versagensfälle:
Windschäden, Nahtversagen bei starker Sonneneinstrahlung, Leckage aufgrund Beschädigung an der Randfixierung etc.
Ja, dadurch hohe
Betriebszuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit
Standzeit In der Regel höchstens 8 Jahre (abhängig von der Planungskompetenz und Ausführungssorgfalt – keine verbindlichen Qualitätsstandards)
- Garantierte Nutzungsdauer von 15 - 20 Jahren
- Sachbasierter, nachvollziehbarer Qualitätsnachweis
Steuerung - Nur Notabschaltung bei krit.
Druckabfall bzw. Abfackeln bei krit.
Druckanstieg.
- Reißen der Membran wegen unzulässiger Betriebszustände.
- Reduzierte Gesamteffizienz aufgrund häufiger Notabschaltung bzw.
Abfackeln von Nutzgas mangels geeigneter Betriebszustandsführung
Prädiktive Steuerung entsprechend zu Systemzustand und Umwelteinflüssen
Sensorik I.d.R. nur ungenaue, indirekte Füllstandsmessung
Exakte Erfassung von Temperatur, Füllstand und Druck (innen / Umgebung)
Inspektions- und Wartungsmöglichkeiten
Sehr eingeschränkt - Gute Inspektionsmöglichkeiten - Gasmembran (Verschleißteil) ist tauschbar
- Durch Integration von Rückstell- mustern an den Membranen sind Reißfestigkeit und
Schweißnahtfestigkeit periodisch überprüfbar
- Abgleichen dieser Prüfergebnisse mit den Abminderungsfaktoren der statischen Berechnungen ergibt Aussage über die zu erwartende (Rest- )Lebensdauer
Dimensionierung der Betriebstechnik
Keine systematische Berechnung Regelbasierte, einzelfallspezifische Auslegung (Standort, Gährgut etc.) Isolierung I. d. R. keine Isolierung Isolierende Kaschierung auf der
Außenseite der Gasmembran (ggf.
Strukturiert zur Optimierung des Faltungsmusters)
Methangasdurchlässigkeit Hohe Durchlässigkeitswerte speziell bei Temperaturen >36 °C
Optimiert durch spezielle Pastenzusammensetzung der Beschichtungsmasse
Anheben der Gasmembrane Unspezifisch / unklar System spezifisch darauf optimiert in Auslegung / Strukturierung und Betriebssteuerung (z. B. Stützluftdruck relativ zu Gasdruck).
Verarbeitung / Fertigung - Unzureichende Nahtfestigkeit aufgrund Fertigung per Heizkeil- oder Warmluftverschweißung
- Ausführung des Randdetails: Oftmals nur Lochungen, kein statisch
nachweisbarer Klemmrand durch integrierten Kederwulst,
Klemmschlauch, der bei höheren Temperaturen und größeren Behälterdurchmessern versagt und nicht statisch nachweisbar ist etc.)
- Spezifisch abgestimmte Hoch- frequenzschweißtechnik - Nahtorientierung / Zuschnitts- geometrie optimiert entsprechend tatsächlicher Kräfte
- Sichere, ermüdungsfreie Fixierung durch neues System basierend auf Klemmleiste / Klemmschien und Kederwulst
3. Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Das Teilvorhaben wurde innerhalb des Verbundvorhabens „Erforschung neuer Lösungen für textile Biogasspeichersysteme“ bearbeitet. Die Kooperationspartner zur Bearbeitung des Projekts sind,
Wacker Ingenieur GmbH | Wind Engineering | Gewerbestraße 2 | 75217 Birkenfeld - Wacker Bauwerksaerodynamik (KMU) bearbeitet als Dienstleister komplexe
aerodynamische Fragestellungen vor dem Hintergrund der Bemessung von Bauwerken (Brücken, Membrankonstruktionen, Hochbauten etc.) und verfügt über international renommierte Expertise im Bereich der angewandten Strömungsphysik, der differenzierten Vermessung physikalischer Modell im Windkanal einschließlich der Nachbildung von standortspezifischen Windprofilen und Anströmcharakteristika, sowie der Entwicklung praxisorientierter analytischer und numerische
Berechnungsansätze.
- Kurzname im Projekt lautet Wacker
H. Seybold GmbH & Co. KG | Technische Konfektion | Dr.-Christian-Seybold-Straße 4 · 52349 Düren
- Das 1876 gegründete mittelständische Familienunternehmen mit Sitz in Düren ist bundesweit und international tätig in den Geschäftsbereichen „Technische
Konfektionen“ und „Industrielle Ausstattungen“. Der Geschäftsbereich „Technische Konfektionen“ zeigt im Wesentlichen 3 tragende Säulen:
Konfektionen für temporäre und stationäre Primärtragstrukturen mit textilen Dacheindeckungen
Konfektionen als Membranabdeckungen für die Behälter von Biogasanlagen
Konfektionen im klassischen Bereich der textilen Architektur - Kurzname im Projekt lautet Seybold
technet Gmbh | Softwaresysteme | Pestalozzistraße 8 | 70563 Stuttgart
- Das mittelständische Unternehmen technet GmbH entwickelt und vertreibt
forschungsbasierte Software-Tools zur Unterstützung bei anspruchsvoller Aufgaben in den Bereichen leichte Flächentragwerke, Integration von Geodaten,
Ingenieurvermessung, Fotogrammmetrie und Oberflächenanalyse.
- Kurzname im Projekt lautet technet
Fachverband Biogas e.V. | Angerbrunnenstrasse 12 | 85356 Fresing
- Austausch der Erfahrungen und Erkenntnisse im Arbeitskreis Standsicherheit von Membranabdeckungen.
- Verbreitung der Ergebnisse innnerahlb des Netzwerks
II. Ergebnisse
1. Erzielte Ergebnisse
1.1. Wissenschaftliche Recherche und Anforderungsspezifikation zur Untersuchung der Lastfälle und Systemantworten | AP 1.1
Im Zuge der Projektentwicklung und der Entwicklung und Konzeption der Versuchsaufbauten (siehe auch Ausführungen zum Arbeitspaket 3) wurden die wissenschaftlichen Recherchen, hier vor allem auch auf dem Gebiet mess- und auswertungstechnischer Fragestellungen, erweitert und vertieft. Beispielsweise sind hier die Gebiete der Messtechnik im Bereich der Sensorik zu nennen, wie etwa deren Funktionsweise und deren projektspezifischen Anwendungsmöglichkeiten und Einsatz auf dem Stand der Technik.
Bei die durch 2D-Messung ermittelten Gewebeeigenschaften, bei denen die
Starrköperverschiebung und Rotation bisher unzureichend berücksichtigt werden, sind gewonnene Recherche- und Forschungserkenntnisse zur spezifischen Transformation auf dem aktuellen Stand in die Entwicklung der Versuchsaufbauten mit eingeflossen.
Gemeinsam mit dem Projektpartner technet sind die derzeit aktuellen theoretischen Ansätze für die Modellierung von Membranstrukturen und geschlossenen Luftvolumina analysiert worden.
Anhand von Modellierungs- und Berechnungsarbeiten der technet konnten wichtige
Eingangsparameter als Grundlage für die messtechnischen Erfordernisse festgelegt werden. In gemeinsamen Projekttreffen ist die Bewertung und Zusammenführung der Ergebnisse diskutiert und vollzogen worden.
Gemeinsam mit dem Projektpartnern fanden auch eine Besichtigung und Diskussionen mit
Betreibern auf deren Biogasanlagen statt, um sich über praxisnahe Entwicklungen auf dem Gebiet des Biogasanlagenbaus zu informieren und sich mit aktuellen Problemstellungen der
Anlagenbetreiber zu befassen und auseinanderzusetzten. Hier sind beispielsweise die Entwicklungspotentiale und Möglichkeiten von Automatisierungen der Luftzufuhr des Stützluftraums zu nennen. Die in den Gesprächen gewonnen Erkenntnisse können ggf. in zukünftige Projektentwicklungen miteingebunden werden.
Bild 1 | Gemeinsame Besichtigung einer Biogasanlage Quelle KIT_IEB-FGB
1.2. Konzeption und Auslegung der membranbezogenen Anlagenkomponenten | AP 2.1 Innerhalb dieses Arbeitsmoduls wird die Realisierung einer Modell-Biogasspeicheranlage im Maßstab 1:1 zur experimentellen Untersuchung der projektrelevanten Themenkomplexe verfolgt.
In enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Seybold wurde die ausführungsreife Planung der Versuchsanlage vollständig realisiert.
Die Unterstützung bei der technischen Planung der Versuchsanlage, wie z.B. die Bemessung der Fundamente, die Auslegung des Stahlzylinders sowie erforderliche Nachweise bezüglich der Membrankonstruktion erfolgte durch eine Unterbeauftragung des Planungsbüros if-
Membrandesign.
Sämtliche erforderlichen statischen Unterlagen sowie Konstruktions- und Detailausbildungen, die mitunter auch zur Genehmigung des Objekts durch das Bauamt notwendig wurden, sind in ausführungsreifer Ausarbeitung erstellt worden. Auf insgesamt 94 Seiten statischer Ausarbeitung wurden sämtliche Bauteile dimensioniert und bemessen.
Die KIT-Zielstellungen der „Integration von Zu- und Ablassöffnungen“, die „Klärung der Art und Anbringung der Messeinrichtung“, die „Entwicklung von Aus- und Umrüstungskonzepten“ sowie die
„Auswahl von Materialien und Zuschnittsvarianten“ wurden durch die Berücksichtigung in der Ausführungsplanung vollständig erreicht.
1.2.1. Vorplanung Versuchsbehälter
Grafik 1 | Beschreibende Skizze aus den statischen Unterlagen Quelle if-Membrandesign
Grafik 2 | Zu- und Ablassöffnungen in die Versuchsanlage Quelle KIT_IEB-FGB
Zur Integration von Zu- und Ablassöffnugen in die Versuchsanlage:
3 Auslassöffnungen, welche variabel geöffnet und geschlossen werden können, zur Abbildung unterschiedlicher Strömungsszenarien im Gasraum (zusätliche Möglichkeit zur Integration eines Lüfters zur Unterdruckerzeugung).
Einlassöffnung zur gezielten Volumenstromsteuerung durch bereits ausgelgte Lüfter Schaltschrank zum Betrieb der Messtechnik und Steuerung mit Kabeldruchgang in den Behälter.
Grafik 3 | Zu- und Ablassöffnungen in der äußeren Membranhülle Quelle KIT_IEB-FGB
Aus den statischen Unterlagen der Fa. IF-Membrandesign ergeben sich die folgenden Volumina und Druckbeanspruchungen:
Tabelle 3 Behältervolumen
Bereich Volumen
Behälter 15,36 x 1,8 Vb= 333 m3
Außenmembrane bis Oberkante Behälter Va = 896 m³ Innenmembrane bis Oberkante Behälter Vi = 795 m³ Gurtlage unter p= 0,6 kN/m² bis Sole Vg = 437 m³
Tabelle 4 Teilbereichvolumen
Teilbereich Kommentar Volumen
Luftraum Vmax = 896 + 333 -437 = 792 m³
Vmin = 896 - 795 = 101 m³
Luftdruck: zwischen 0 und 600 Pa (6 mbar = 0,60 kN/m²) Standard: pl= 400 Pa (4,0 mbar = 0,40 kN/m²)
Gasraum Vmax = 795 + 333 = 1128 m³
Vmin = 437 = 437 m³
Luftdruck: zwischen -200 und 1000 Pa (-2 bis 10 mbar = -0,2 bis 1,0 kN/m²) -
Standard: pl= 600 Pa (6,0 mbar = 0,60 kN/m²) 1.2.2. Auslegung der Zu- und Abluftöffnungen
Für die Berechnung der verschiedenen Zustände und die mögliche Auslegung der Ablass Ventile wurden diverse Sicherheitsszenarien gemeinsam mit den Projektpartnern definiert. Da die
Auslegung der Strömungssensoren grundsätzlich bei Normzuständen erfolgt wurden für die folgenden Berechnungen basierend auf diesen Werten, mit dem Absolut Druck von 1013 hPa und einer Temperatur von 20° C, durchgeführt.
Der Zustand des befüllten Behälters kann vereinfachend als isotherm betrachtet werden, somit gilt für das Luftvolumen unter einem Überdruck nach dem vereinfachten Gasgesetz, bei
geschlossenem Volumen und konstanter Temperatur:
𝑉𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔𝑠𝑧𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑=𝑉𝐵𝑒ℎä𝑙𝑒𝑡𝑒𝑟∙𝑃𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔
𝑃0 (1)
Zu beachten ist hierbei, dass immer die Absolutwerte des Drucks anzuwenden sind.
Über Bernoulli und die Kontinuitätsgleichung ergibt sich für einen bestimmten Querschnitt A der Durchflussöffnung folgender Zusammenhang zurzeit.
𝑡1= ∫ 1
𝐴∙√(
𝑥∙𝑃𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔
𝑉𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔𝑠𝑧𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑−𝑃0)∙2 𝜌𝐿𝑢𝑓𝑡
𝑉𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔𝑠𝑧𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑 𝑑𝑥
𝑉𝐵𝑒ℎä𝑙𝑡𝑒𝑟 (2)
Dabei ist davon auszugehen, dass bei einem Volumen von VBehälter der Überdruck abgebaut wurde.
Nachdem der Überdruck abgebaut wurde kann ein konstanter Druck zum Ablassen der Luft angenommen werden. Dieser entsteht durch das bisher vernachlässigte Eigengewicht der Membran als Flächenlast. Dies führt zu:
𝑡2= 𝑉𝐵𝑒ℎä𝑙𝑡𝑒𝑟
𝐴∙√(𝑃𝑀)∙2𝜌𝐿𝑢𝑓𝑡
(3)
mit PM = Eigengewicht als Flächenlast in N/m2.
Zusätzlich ist die Druckdifferenz durch Temperatureinflüsse untersucht worden, hierfür wird die kurzfristige isochore Zustandsgleichung des vereinfachten Gasgesetzes bei konstantem Volumen angewendet und lautet:
𝑃𝑁𝑒𝑢 =𝑇𝑁𝑒𝑢𝑇 ∙𝑃𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔
𝐴𝑢𝑠𝑔𝑎𝑛𝑔 (4)
In der Gleichung (2) wird nun PAusgang durch PNeu ersetzt und es ergibt sich somit das Luftvolumen.
Für die folgenden berechneten Fälle werden die gewählten Sicherheitsszenarien und
Anwendungsszenarien angewendet. Diese besagen ein Entleeren der Kammern innerhalb von 1 Stunde und ein Befüllen der Kammern innerhalb von 2 Stunden. Zusätzlich wird für das
Gasvolumen ein Befüllen in 4 Stunden, sowie ein entleeren in 4 Stunden angesetzt.
Luftraum Volumen voll (792 m3) bei 600 Pa (6 mbar) Innendruck:
1 Stunde entleeren bei einer Öffnung von 0,25 m
- Komprimiertes Luftvolumen ohne Materialdehnung: 796,7 m3 - Druckabbau: 6,04 sec (ohne Eigengewicht Membran)
- Vollkommene Entleerung: 3648,5 sec (48,5 sec über der Stunde, bei 1,2 kg/m2 Membrangewicht)
- Geschwindigkeit: 31,6-4,4 m/s (Volumenstrom 1,55-0,21 m3/s)
2 Stunden befüllen
- Luftvolumen 796 in 7200 sec
- Volumenstrom 0,11 m3/s (<Arbeitspunkt 2000 sec möglich)
Gasraum Volumen 1128 m3 mit 691 m3 Differenzvolumen zwischen voll und leer bei 1000 Pa (10mbar) Innendruck:
Max 1 Stunde entleeren bei einer Öffnung von 0,25 m (Ohne Druck aus Luftraum) - Luftvolumen ohne Materialdehnung: 1139,1 m3
- Druckabbau: 11,1 sec (ohne Eigengewicht Membran)
- Vollkommene Entleerung bis 437 m3 Restvolumen : 3189,1 sec (bei 1,2 kg/m2 Membrangewicht)
- Geschwindigkeit: 40-4,4 m/s (Volumenstrom 2,0-0,21 m3/s)
Max 1 Stunde entleeren bei einer Öffnung von 0,25 m (Mit konstantem Druck aus Luftraum mit 600 Pa)
- Luftvolumen ohne Materialdehnung: 1139,1 m3
- Druckabbau: 2,5 sec (ohne Eigengewicht Membran – Volumen 1134,7 m3) - Vollkommene Entleerung: 447,6 sec
- Geschwindigkeit: 40-31,6 m/s (Volumenstrom 2,0-1,55 m3/s)
2 Stunden befüllen (Ohne Druck aus Luftraum) - Luftvolumen 691 in 7200 sec
- Volumenstrom 0,09 m3/s
2 Stunden befüllen (Mit Druck aus Luftraum) - Luftvolumen 691 in 7200 sec - Volumenstrom 0,09 m3/s
Betriebszustände: (Mit Druck aus Luftraum)
4 Stunden leeren mit 600 Pa Oben (Stützluftraum) - Durchmesser 0,044 m
- Geschwindigkeit: 40,8-31,9 m/s (Volumenstrom 0,062-0,049 m3/s) - Geschwindigkeit am Ausgangsdurchmesser 0,25 m: 1,26-0,98 m/s
4 Stunden leeren mit 400 Pa Oben (Stützluftraum) - Durchmesser 0,049 m
- Geschwindigkeit: 40,8-26,1 m/s (Volumenstrom 0,077-0,049 m3/s) - Geschwindigkeit am Ausgangsdurchmesser 0,25 m: 1,57-1,00 m/s
4 Stunden befüllen mit 600 Pa Oben (Stützluftraum)
- Benötigter Volumenstrom 0,048 m3/s (172,75 m3/h) - Durchmesser 0,15 m
- Geschwindigkeit: 2,57 m/s - Lüfter: 2300 U/min
4 Stunden befüllen mit 400 Pa Oben (Stützluftraum)
- Benötigter Volumenstrom 0,048 m3/s (172,75 m3/h) - Durchmesser 0,15 m
- Geschwindigkeit: 2,57 m/s - Lüfter: 1900 U/min
Gemeinsam mit den Projektpartnern wird der Lüfter FRv 160 als Radiallüfter der Fa. Funken gewählt und in das System wie beschrieben integriert. Die Berechnungen erfolgen auf den Grundlagen der Lüfterkennlinie und einem Arbeitsdiagramm für den Versuchsaufbau. Die Anlagekennlinie beruht auf dem Einlaufquerschnitt mit
𝑃𝐴𝑛𝑙𝑎𝑔𝑒=𝜌𝐿𝑢𝑓𝑡
2 ∙ (𝑉̇
𝐴)2 (5)
Die Auslegung der einzelnen Komponenten wird so gestaltet, dass verschiedene Möglichkeiten zur Regelung des Systems gegeben sind.
Dadurch wird auf ein möglichst großes Spektrum von Szenarien eingegangen, was eine weiträumige Untersuchung der Regelungsmöglichkeiten für spätere Systeme gewährleistet.
1.3. Labormesstechnik und Auswertungsmethodik für die Bestimmung multiaxialer Eigenschaftsprofile von Membranen | AP 3.1
1.3.1. Verformungsmessung der äußeren und inneren Gasmembran Verfahren zur geometrischen Erfassung
Innerhalb der Projektentwicklung wurden unterschiedliche Verfahren zur geometrischen Erfassung von dreidimensionalen Strukturen recherchiert und auf deren Umsetzbarkeit hin untersucht (z.B.
3D-Punktverfolgung, Streifenlichtscanner, Laserscanner, Stereophotogrammmetrie).
Neben Anforderungen an die Messgenauigkeit und einer praxistauglichen Anwendbarkeit dieser Systeme, war ein weiterer wichtiger bzw. limitierender Faktor, der Budgetrahmen, der zur
Realisierung dieser Teilaufgabe eingeplant ist. Auf dem Markt zur Verfügung stehende und etablierte (Einsteiger-) Systeme, die mit „relativ geringem Aufwand“ in die Versuchsumgebung integriert werden könnten, übersteigen diesen um mindestens das 10-fache. Eine der
Herausforderungen innerhalb des Projekts besteht also darin, weitestgehend auf „Open-Source- Lösungen“ zurückzugreifen und mit „alltagsüblichen“ Kamerasystemen zu arbeiten. Ein großer Vorteil solch einer Herangehensweise (bzw. dieser Limitierung) ist wiederum, dass eine
erfolgreiche Systementwicklung und -integration große Anwender- und Anwendungspotentiale für den Einsatz in der Praxis vermuten lässt.
Ein vielversprechender Ansatz zur geometrischen Erfassung der inneren Membrankuppel des 1:1 Modells ist die Stereophotogrammmetrie. Die Planungen und der Aufbau eines entsprechenden Kamerasystems wurde bereits intensiv (auch mit Mitarbeiten des kollegialen Instituts für
Photogrammmetrie und Fernerkundung des KIT) diskutiert und fortentwickelt. Durch die entstandenen Verzögerungen bei der Erstellung der 1:1 Versuchsanlage mussten die
Umsetzungsplanungen hintenangestellt werden und eine Installation des Systems erfolgt im 2.
Jahr der Projektlaufzeit.
Unter Laborbedingungen wurde daraufhin die Geometrieerfassung mit einer Infrarot-Kamera (Modell „Asus Xtion Pro“) getestet (Bild 2). Die Generierung der Punktwolken aus den Aufnahmen wurde mit der Open-Source Softwarelösungen „VisualSFM“ erstellt und mit „MeshLap“ durch eine Vernetzung die 3D-Oberfläche erzeugt.
Bild 2 | Realstruktur (links) | Mit Infrarotkamera erfasste Geometrie als Punktwolke / Bearbeitung in „MeshLap“ (rechts) Quelle Beide KIT_IEB-FGB
Die Genauigkeit der Geometrieerfassung war innerhalb des kleinmaßstäblichen Labormodells (Maßstab ca. 1:10 zur Versuchsanlage) zufriedenstellend. Die Übertragbarkeit dieser
Herangehensweise ins großmaßstäbliche ist aber derzeit noch infrage zu stellen, da die
Genauigkeit für die projektrelevanten Fragestellungen mit aktuellen Hard- und Softwarelösungen nach dem Stand der Technik kaum zu erreichen sind.
Optische Dehnungsmessung für die Außenmembrane
Eine einfache Dehnungsmessung für die Außenmembran wurde entwickelt. Diese wird genutzt um die Dehnung entlang der Längenkreisrichtung zu ermitteln. Daraus folgt, über eine Kalibrierung, eine einfache optische Auswertung des Innendrucks des Stützluftraums.
Bild 3 | 1:1 Anlage mit Dehnungsmesser (links) | Detail mit Skalierung / Kalibrierung (rechts) Quelle Beide KIT_IEB-FGB
Bild 3 zeigt diese Vorrichtung, ihre Funktionalität ist so einfach wie möglich gehalten. Sie besteht aus einem 10 cm breiten und 10 m langen Membranstreifen, welcher in der Nähe der Polkappe der Stützluftmembran auf der Außenseite befestigt ist. An dessen unteren Ende befindet sich ein Gewicht, um den Membranstreifen gleichmäßig an die Stützlufthülle anzulegen. Durch die Dehnung der Stützluftmembran bei unterschiedlichem Innendruck wird eine Markierung auf dem Streifen auf- und abwärts bewegt und mit einer fixen Markierung auf der Außenhülle verglichen. So kann zum einen die Belastung der Außenhülle, sowie der Innendruck ohne großen technischen Aufwand und Kosten optisch vom Betreiber erfasst werden.
1.3.2. Entwicklung von Messinstrumentierung und -methodik
Seit Februar 2019 gibt es eine europaweite Standardisierung biaxialer Zugversuche für Elastomere und Thermoplastisch beschichteten Textilien (Literatur 5). Geregelt sind in dieser Norm Verfahren zur Bestimmung der Werkstoff-Parameter wie die Elastizitätsmoduli und Querdehnung für einen gegebenen ebenen Spannung- und Verzerrungszustand in beschichteten Geweben. Der Entwurf zu dieser Norm ist seit 2018 verfügbar und lag als internes Arbeitspapier Mitgliedern von tensinet, dem europäischen Netzwerk für textile Architektur vor. In der aktuellen Norm sind 3
Versuchseinrichtungen beschrieben, in denen in beschichtete Gewebe ein ebender Spannungs- und Verzerrungszustand eingetragen wird und die Verschiebungen in der Probe über
Wegaufnehmer oder optisch gemessen werden.
Es sind zur Auswertung der Messgrößen aus den durchgeführten Versuchen 6 unterschiedliche Berechnungsmodelle angegeben. Die Versuchseinrichtungen und die Verfahren wurden in den 30 Jahren an Universitären und außeruniversitären Laboren zur Werkstoffprüfung im textilen Bauen entwickelt. Die 6 Berechnungsmodelle unterscheiden im Versuchsablauf, dem Einhalten bzw.
Verletzen der Symmetrie der Nachgiebigkeit- bzw. Steifigkeitsmatrix, den Berechnungsmodellen für die Querdehnung, die je nach Auswertung und Gewebe größer 0,5, kleiner 0,5 und negativ sein können und der Berücksichtigung des einachsigen Spannungszustands.
Die Veröffentlichung der Norm erfolgte innerhalb der Laufzeit des Projektes und zur Validierung der unterschiedlichen Berechnungsmodelle wurden biaxiale Zugversuche an der
fachgebietseignen Versuchseinrichtung durchgeführt und die Ergebnisse gegenübergestellt. Die Darstellung der Werkstoffparameter erfolgt für das ebene, orthotrope Werkstoff-Gesetz in tensorieller Darstellung (Tabelle 5).
Tabelle 5 | Werkstoff-Parameter nach 4 Berechnungsmodellen aus DIN EN 17117 (Literatur 5)
Berechnungsmodell E-Modul [ KN/m] Querdehnung [kN/m]
E1111 E2222 E1122 E2211
Verfahren A 743 568 218 218
Verfahren A Kette : Schuss 1 : 0 1051 752 459 459
Verfahren A Kette : Schuss 0 : 1 595 740 384 384
Verfahren D 745 568 217 223
Verfahren E 667 487 198 198
Verfahren C 948 660 223 223
In Verfahren A erfolgt die Bestimmung der Werkstoff-Parameter, indem Wertepaare aus einem Versuch für jeden Lastaufstieg und jedes Belastungsverhältnis in eine Funktion eingesetzt werden.
Diese Funktion setzt sich aus den beiden Zeilen des orthotropen Werkstoff-Gesetzes zusammen, welche dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten in die beiden Belastungsrichtungen entsprechen. Es wird die Summe der Quadrate aus den beiden einzelnen Anteilen gebildet und entspricht der Summe der kleinsten Fehlerquadrate. Zur Bestimmung der unbekannten Werkstoff-Parameter wird die Funktion partiell nach den unbekannten Werkstoff-Parametern abgeleitet. Durch das
Nullsetzen der ersten Ableitungen lassen sich die Parameter bestimmen, wenn diese unabhängig voneinander sind. Mit der Symmetrie der Steifigkeitsmatrix werden drei der vier Werkstoff -
Parameter auf diese Weise bestimmt. Der vierte Parameter ergibt sich aus der
Symmetriebedingung der Steifigkeitsmatrix. Die Funktion lässt sich auch nach allen vier
Parametern ableiten, wobei dies zu einem Verletzen der Symmetriebedingung in der
Steifigkeitsmatrix führt. Die Besonderheit dieses Vorgehen ist, dass die Spannungs-Dehnungs- Beziehung genutzt wird. Bei einem Kraftgesteuerten Versuch, wie dieser üblicherweise durch die Vorgabe eines Kraft-Zeit-Diagramms erfolgt, müssen die Werkstoff-Parameter aus den
Nachgiebigkeiten in die Steifigkeiten umgerechnet werden um diese in die Funktion einzusetzen.
In Verfahren D wird die Dehnungs-Spannungs-Beziehung genutzt um wiederum über
Regressionsgeraden und der Summe der kleinsten Fehlerquadrate die Werkstoff-Parameter zu bestimmen. Berechnet werden die Nachgiebigkeiten, die in einem weiteren Schritt in die
Steifigkeiten umgerechnet werden. Mit denselben gemessenen Dehnungen und berechneten Spannungen sollten die Kennwerte in Verfahren A und D identisch sein. Dies ist für die E-Moduli auch annähernd eingehalten (vgl. Tabelle 5). Bei der Auswertung ist für das Verfahren D ist die Symmetrie der Nachgiebigkeitsmatrix verletzt, indem alle vier unbekannten Parameter über das Ableiten der Funktion für die Summe der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt wurden. Dies zeigt sich in unterschiedlichen Größen für die Querdehnung (Tabelle 5).
Verfahren E ist eine Erweiterung vom Verfahren D um die Werkstoff-Parameter an verschiedene Belastungsverhältnisse anzupassen. Die Fadengeometrie in Kette- und Schussrichtung führt auf Grund der geometrischen Nicht-Linearität bei größeren Verformungen zu einem weicheren oder steiferen Verhalten. Um diese Unterschiede zu erfassen werden Werkstoff-Parameter auf das Belastungsverhältnis Kette:Schuss mit 1:1 normiert. Die Querdehnung bleibt für alle
Belastungsverhältnisse konstant. Um die Unterschiede aufzuzeigen, die sich für die
unterschiedlichen Belastungsverhältnisse ergeben, sind für 5 Belastungsverhältnisse die mit diesem Verfahren berechneten Parameter angegeben (Tabelle 6). Der Mittelwert aus den in Tabelle 5 darstellten Werten entspricht den Kenngrößen in Tabelle 5 Zeile 7.
Tabelle 6 | Nach dem Verfahren E ermittelte Werkstoff-Parameter für unterschiedliche Belastungsverhältnisse
Spannungsverhältnis Kette/Schuss
E1111 [kN/m] E2222 [kN/m] E1122# [kN/m] E2211[kN/m]
5:1 852 398 162 162
2:1 732 469 191 191
1:1 576 448 182 182
1:2 619 524 213 213
1:5 557 596 242 242
Verfahren A, D und E nutzen ein mathematisches Verfahren zur Bestimmung der Werkstoff- Parameter, welches einer Schätzung entspricht. Es fehlt eine Zuordnung zu den
Bedingungsgleichungen, die üblicherweise in der Strukturanalyse genutzt werden. Eine gewisse Ähnlichkeit zum Potential einer elastischen Struktur ist vorhanden, jedoch auch deutliche
Unterschiede. Dieser Tatsache wird in Verfahren C Rechnung getragen, indem ein anderer Ansatz gewählt wird. Diesem Ansatz liegt die Linearität des Werkstoff-Gesetzes zu Grunde. Wird das Werkstoff-Gesetz in eine Richtung und eine Verzerrung abgeleitet, entfällt die Verzerrung in die andere Richtung. Folglich reduzieren sich die unbekannten Parameter auf 2 für jede Richtung und lassen sich bestimmen. Die Kontrolle ist, dass die Querdehnung in die eine Richtung mit der Querdehnung in die andere Richtung übereinstimmen muss. Das zur Regelung der
Versuchseinrichtung notwendige Kraft-Zeit-Diagramm besitzt einen anderen Verlauf im Vergleich zu Verfahren A, D und E. Um eine Vergleichbarkeit zu den anderen Verfahren zu haben, wurden
aus demselben Kraft-Zeit-Diagramm Wertepaare für das Belastungsverhältnis Kette : Schuss von 1 : 0 und 0 : 1 gewählt (vgl. Tabelle 5). Eine Erklärung für die deutlichen Unterschiede der
Werkstoff-Parameter nach Verfahren A für dasselbe Spannungsverhältnis ist der unterschiedliche Ansatz. Möglicherweise ist die Schätzung nach Verfahren A zu ungenau oder das Verhalten des beschichteten Gewebes ist nicht linear und dann verliert Verfahren C seine Gültigkeit.
Am Fachgebiet stehen für die biaxialen Zugversuche zwei unterschiedliche Messverfahren von zwei Herstellern zur Verfügung, mit denen exemplarisch ein Versuch ausgewertet wurde. Die Messung erfolgt in Verfahren 1 mit zwei Kameras, in Verfahren 2 mit einer Kamera. Optisch gemessen wird in beiden Verfahren das Verschieben von Punkten auf der Probe. In Tabelle 3 … sind für ein Fadenkreuz auf der Probe die ermittelten Dehnungen in Kett- und Schussrichtung dargestellt. Eine Erklärung für die deutlichen Abweichungen in den Verzerrungen ist noch offen.
Die unterschiedlichen Verzerrungen, für die annähernd gleichen Spannungen, erklären sich mit einem Verzug des Schussfadens, welcher in allen 3 Proben unterschiedlich ist.
Tabelle 7 | Verzerrungen eines Fadenkreuzes mit Messverfahren von 2 Herstellern
Spannung Verfahren 1 Verfahren 2
nK [kN/m] nS (kN/m] K [%] S [%] K [%] S [%]
Probe 1 8.4 8.13 0.67 1.22 1.51 1.90
Probe 2 8.41 8.41 0.16 0.34 1.57 2.14
Probe 3 8.72 8.46 0.38 0.30 1.93 2.59
Am KIT wurde ein Berechnungsverfahren entwickelt, in dem für Proben mit Schussfadenverzug Verzerrungen berechnet werden, wenn die Kräfte und Werkstoff-Parameter bekannt sind. Das Nachrechnen mit Werkstoff-Parametern, die nach Verfahren D bestimmt wurden, ergeben für Probe 1 Dehnungen von 1,91 % in Kettrichtung und 2,0 % in Schussrichtung.
Die mit den Möglichkeiten am Fachgebiet durchgeführten Versuche und Auswertungen haben gezeigt, dass es trotz einer vorhandenen Norm noch einige offene Fragestellung gibt, z.B. eine Validierung der optischen Messung. Es sollte sichergestellt sein, dass die Abweichungen bei verschiedenen Herstellern im Rahmen einer zu definierenden Messgenauigkeit liegen. Offen sind nachvollziehbare Erklärungen für die Unterschiede in den Werkstoff-Parametern mit den
unterschiedlichen Auswertungsverfahren. Um die Fragen zufriedenstellend zu beantworten, ist wesentlich mehr Aufwand an Zeit und Personal notwendig als im Vorhaben vorgesehen war.
1.3.3. Entwicklung einer Steuer- und Regelungseinheit für den Innendruck und die Volumenströme / Testen der Steuer- und Regelungseinheit im Labor / Einbau der Komponenten in die Versuchsanlage / Testen der Messtechnik
Die Planungen zur Ausführung der Versuchsanlage im Maßstab 1:1 (Arbeitspaket 2) sind
vollständig abgeschlossen. Durch Verzögerungen im Bauablauf (hier ist vor allem der Prozess für die Baugenehmigung des Objekts zu nennen) erfolgte die tatsächliche Ausführung des
Versuchsbehälters um ein halbes Jahr später als zu Beginn des Vorhabens geplant war.
Durch den außerhalb der vorgesehenen Arbeitspakte realisierten Labor-Versuchsaufbau konnten diese zeitlichen Verschiebungen weitestgehend kompensiert werden, hierfür wurde ein Modell im Maßstab von ca. 1:10 (Ø 125 cm) im Labor am Fachgebiet Bautechnologie realisiert.
Die Integration der Steuerungs- und Messtechnik am Versuchsbehälter in Düren (auf dem Gelände der Fa. Seybold) wurde nach dessen Fertigstellung realisiert. So wurden für den Stützluftraum und den Gasraum die entsprechenden Temperatursensoren, Drucksensoren, Strömungssensoren und Lüfter installiert und getestet.
Zusätzlich wurde ein Schaltschrank konzipiert und zu der Messtechnik als Steuer- und
Regeleinheit hinzugefügt. In diesem befinden sich auch ein Temperatursensor und ein Absolut- Drucksensor, um die direkten klimatischen Umgebungswerte erfassen zu können.
Bild 4 | Messtechnik Stützluftraum Quelle KIT_IEB-FGB
In Bild 4 ist die integrierte Messtechnik abgebildet. Der Stützluftraum ist in 3 Abschnitte unterteilt, in den Einlass und die beiden Auslässe. Alle Abschnitte wurden mit einem Strömungssensor ausgestattet, um die Volumenströme ermitteln zu können. Da die Zulaufstrecke „nicht
normgerecht“ zur Umrechnung in den Volumenstrom eingehalten werden konnte (mit
10*Durchmesser vor und 5*Durchmesser nach dem Sensor), mussten Gleichrichter in die Rohre integriert werden. Diese wurden extra hierfür am Fachgebiet Bautechnologie konstruiert und gefertigt.
Der Aufbau der Gleichrichter besteht aus 4 ineinander geschobenen 0,5 mm starken Aluminiumblechen. Welche zunächst entwickelt und konstruiert wurden und mittels dem
Fachgebietseigenen Schneidplotter (Zünd xl1600) ausgefräst wurden. Um die Präzision der Bleche zu verbessern wurden diese vorher auf eine Holzunterkonstruktion aufgebracht. Der Vorgang ist im Bild 5 dargestellt.
Bild 5 | Einzelnes Blech Konstruktionszeichnung und Verarbeitung Quelle KIT_IEB-FGB
Das Blech (Bild 5) wurde im 90° Winkel umgeformt und mit der Unterstützung einer Hilfskonstruktion in das jeweilige Rohr eingebracht und verklebt (Bild 6).
Bild 6 | Gleichrichterblech in der Hilfskonstruktion und im Einlaufrohr Quelle KIT_IEB-FGB
Durch die Gleichrichter verändert sich das jeweilige Strömungsprofil des Rohres und eine zusätzliche Kalibrierung jedes einzelnen Rohres wurde notwendig. Dies erfolgte über einen für
diese Zwecke erstellten 3,5 m langen Vergleichskanal, ohne Störungselement nach DIN EN 16211 (Literatur 6).
Der Einlaufbereich wurde mit einem Lüfter „FRV 160“ versehen, die beiden Auslässe nur mit Schiebereglern. Diese ermöglichen eine Reduzierung der Auslassfläche, bis hin zum
vollkommenen Verschluss. Lüfter zur Unterdruckerzeugung sind für den Stützraum nicht notwendig, da dieser immer mit einem Überdruck beaufschlagt wird. Zusätzlich wurden
Installationsöffnungen in die Membran integriert, um weitere Sensorik einbringen zu können. So wird im Stützluftraum der Differenzdruck über einen eigenen Sensor erfasst. Um eine
Temperaturverlauf ermitteln zu können, werden diese an 3 verschiedenen Stellen gemessen. Auf der Membranoberseite, auf der gegenüberliegenden Unterseite sowie im Luftraum (ca. 50cm) unterhalb der Polkappe wurden hierfür Temperatursensoren „Pt100“ integriert.
Um eine Flexibilität in den Messstellen zu erreichen wurden durch die Fa. Seybold mehrere Einbindungspunkte vorgesehen. So ist ein Wechsel der Temperatursensoren in den vier Himmelsrichtungen möglich.
Der Gasraum verfügt nur über einen Ein- und einen Auslass. Um Strömungsrichtungen zu simulieren, wurden für den Auslass jedoch mehrere Anschlussmöglichkeiten im Behälter in
gemeinsamer Absprache mit der Fa. Seybold vorgesehen. Der Zu- und Ablauf wurden ebenso mit einem Strömungssensor für die Volumenstrommessung versehen. Die Lüfter für den Zu- und den Ablauf wurden mit den stärkeren Modellen „FRV 160/180“ ausgestattet, um höhere
Volumenströme und Drücke zu erreichen. Über den Lüfter am Auslass ist es möglich einen Unterdruck im Gasraum zu erzeugen. Durch einen zusätzlichen Anschlussflansch wurden die Temperatursensoren „Pt100“ für die Innenmembran und den Gasraum eingeführt. In diesem befindet sich auch das Anschlussstück für den Differenzdrucksensor des Gasraumes. Die Messtechnik hierfür ist mit deren Position und Positionsmöglichkeit in Bild 7 dargestellt.
Bild 7 | Messtechnik Gasraum und Schaltschrank Quelle KIT_IEB-FGB
Das beschriebene Messkonzept ist nur eine kurze Übersicht über die integrierte Messtechnik.
Für die Steuer- und Regelungseinheit der Lüfter und die Messwerterfassung wurde eine spezielle Software programmiert. Diese beruht auf der Programmiersprache „LabView“, da alle verbauten Komponenten eine gute Kompatibilität mit dieser Programmsprache aufweisen. Zudem ist die Software für die Anwendung von Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik anerkannt und erprobt. So ist z.B. bei einer breiteren Verwendung die Adaptierbarkeit und die Wartung ein leicht durchzuführender Prozess. Die Programmierung der Software wird mit einer grafischen
Programmiersprache umgesetzt, diese folgt dem Datenfluss-Modell und ist dadurch im Ablauf gut nachvollziehbar.
Der Aufbau des Programms wurde variabel gestaltet, d.h. es besteht aus einem main-frame und mehreren Unterprogrammen. Diese können so einfach modifiziert und modular eingebunden werden. Das Hauptprogramm besteht aus einer Registerkarte mit 4 Reitern (Grafik 4):
Lüfter1 (Zuluft Stützraum) / Lüfter2 (Zuluft Gasraum) / Lüfter3 (Abluft Gasraum) / Messwerte
Grafik 4 | Aufbau Main-Programm Quelle KIT_IEB-FGB
Das Main-Programm dient ausschließlich als „Shell-Oberfläche“. Sollten weitere Unterprogramme integriert werden, ist dies über einen weiteren Reiter einfach umzusetzen.
Die Beschreibung der Unterprogramme wird an dieser Stelle kurz ausgeführt. Die
Programmstruktur der Lüftersteuerungen sind annähernd gleich, deshalb wird auch hier nur verkürzend auf den Lüfter 1 eingegangen.
Die Steuerung eines Lüfters erfolgt über einen Frequenzumwandler der Fa. Esco, dieser ist in allen 3 Fällen dem Frequenzumrichter „Toshiba VFS-15“ mit der integrierten Variante des Profinet- Adapters für Zeit synchronisierten Anwendungen. Dieser kann über TCP/IP entweder über Profinet oder Modbus angesteuert werden. Da es sich hierbei um keine komplexe Netzstruktur handelt, wurde die Kommunikationsart Modbus gewählt. Diese ist einfacher umzusetzen und es bestehen keine Lizenzansprüche größerer Anbieter dahinter. Die Frequenzumwandler werden in Reihe hintereinander geschalten, deshalb ist für diese am PC nur ein Netzwerkanschluss vorgesehen.
Sie wurden im Schaltschrank in einem extra abgeschirmten Bereich integriert, um eine Störung der Messtechnik zu verhindern.
Es wurden spezielle Ein- und Ausgänge „Subvi’s“ für die einzelnen Kommunikationspunkte geschaffen. Dadurch wird die Übersichtlichkeit des Unterprogramms gewahrt.
Grafik 5 | Anwendungsfenster Lüfter 1 Quelle KIT_IEB-FGB
In der Grafik 5 ist das Anwendungsfenster des Lüfters dargestellt. Hier ist der PID-Regler des Frequenzumwandlers bereits aktiviert (1). Die Auswahl des Reglers kann nur bei ausgeschaltetem Lüfter erfolgen. So ist es möglich den Lüfter ohne PID zu starten. Dies bedeutet, dass dieser eine feste Frequenzvorgabe erhält (feste Drehzahl, 60 Hz entsprechen ca 3000 U/min). Ist der Regler aktiviert kann zwischen einer Druck- oder Volumenstromregelung entschieden werden. Der Wert kann über einen Drehschieber oder manuell eingegeben werden (2). Alle Vorgaben können in 2 verschiedenen Modi erfolgen (3), entweder als manuelle Eingabe mit einem festen Wert, oder über ein Vorgabediagramm (als CSV Datei) welches über die Zeit aufgetragen wird.
Die Beschreibung hierfür erfolgt im nächsten Abschnitt. An der Position (4) werden der Messwert als Ist-Zustand, der Vorgabewerte als Soll-Zustand und der im FU programmierte Wert als Diagramm über die Zeit dargestellt. Die Zeitachse ist auf 120 sec begrenzt, da diese nur für die Steuerung wichtig ist und die vollkommene Erfassung im Messwerte-Unterprogramm erfolgt. Über den Schalter an Position (5) ist ein Umschalten zwischen Druck oder Volumenstrom möglich. Bei ausgeschaltetem PID hat dies nur eine Auswirkung auf die Anzeige, bei eingeschaltetem PID wird hierüber zusätzlich der Eingang der Regelgröße bestimmt. Die Programmoberfläche beinhaltet zusätzlich einen Anzeigebereich (6) um die Funktionen des Lüfters und der Regelgröße zu überwachen. Weitere Programmeinstellungen können über die Schaltfläche (7) erfolgen. Diese sind jedoch Progammatische Einstellungen auf die hier nicht näher eingegangen wird.
Erfolgt die Eingabe über eine Textbasierte CSV Datei, werden die Werte aus der Datei ausgelesen und mit der aktuellen vergangenen Zeit verglichen. Der direkte Wert vor und nach diesem
Zeitpunkt dient zur Berechnung der Vorgabe als Sollwert. Dieser wird durch Interpolation der Werte ermittelt und dem Frequenzumwandler (FU) als Vorgabe gesetzt. Hierbei wird nicht auf den Istzustand eingegangen, da dieser direkt im FU verarbeitet wird und es sonst so zu Konflikten kommen würde. In der Grafik 6 ist das Anwendungsfenster des Lüfters 1 dargestellt, welches die bereits geöffnete Erweiterung der Vorgabe enthält. Es ist zwingend notwendig eine CSV Datei hochzuladen, welche direkt in dem neuen Anzeigediagramm auf der rechten Seite abgebildet wird.
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2 3
4 5
6 7
