Schüttgutuntersuchungen zur technologischen Siloauslegung

Siloauslegung Schüttgutuntersuchungen ✓ Technologische Berechnung ✓ DIN EN 1991-4 ✓ Massenfluss & Kernfluss ✓ Sichere Konstruktion

SHEAR-TEST Schüttgutlabor • Kategorie: Schüttguttechnik • Zuletzt aktualisiert: 14.11.2025

Die technologische Auslegung von Silos erfordert eine präzise Kenntnis der mechanischen Eigenschaften des zu lagernden Schüttgutes. Die DIN EN 1991-4 betont ausdrücklich, dass die charakteristischen Werte der Schüttguteigenschaften auf der Grundlage von Versuchsergebnissen bestimmt werden sollten. Gemessene Werte sollten den Vorzug vor geschätzten oder aus Tabellen entnommenen Werten haben.

Relevante Schüttgutkennwerte

Zur Vorhersage des Schüttgutverhaltens und zur Berechnung der auf die Silokonstruktion wirkenden Lasten müssen mindestens folgende Kennwerte bekannt sein:

• Aus den Fließortmessungen (bei mehreren Konsolidierungsspannungen):
  Innere Reibung (effektiver Reibungswinkel)
  Horizontallastverhältnis
  Kohäsion und Druckfestigkeit
• Aus den Wandreibungsversuchen:
  Wandreibungskoeffizient bzw. Wandreibungswinkel
• Aus den Dichtemessungen:
  Schüttdichte
  Kompressionsdichte

Inklusive deren Steuerungskoeffizienten a_K, a_μ, a_φ

Ergänzende Kenngrößen:

• Schüttwinkel
• Zeitverfestigung Fließort
• Zeitverfestigung Wandreibung

Durch unterschiedliche Bedingungen an unterschiedlichen Orten im Silo können diese Kenngrößen variieren und sind somit ortsabhängig und nicht konstant. Zudem beeinflussen sie sich gegenseitig und hängen stark von der Siloform, Wandneigung, Oberflächenrauigkeit und dem Wandmaterial ab.

Spannungen im Silo

Der Druck in einem mit Schüttgut gefüllten Behälter verhält sich nicht hydrostatisch, wie bei Flüssigkeiten. Aufgrund der inneren Reibung wird die vertikale Spannung nur teilweise in horizontale Spannungen übertragen. Das Verhältnis dieser Spannungen wird durch das Horizontallastverhältnis (λ) beschrieben, das typischerweise zwischen 0,3 und 0,6 liegt.

Mit zunehmender Tiefe steigt der Vertikaldruck zunächst an und das Schüttgut verdichtet sich. Die Reibung an der Silowand wirkt dem vertikalen Druckanstieg entgegen, da ein Teil der vertikalen Last über die Wand abgeleitet wird.

Silotrichter

Die Trichtergeometrie eines Silos hat einen entscheidenden Einfluss auf das Fließprofil und Entleerungsverhalten des Schüttgutes.

Die Fließfunktion beschreibt die Abhängigkeit der Druckfestigkeit (σc) von der Hauptspannung (σ₁) und dient unter anderem zur Berechnung des kritischen (kleinstmöglichen) Auslaufdurchmessers. Damit lässt sich die Mindestöffnungsweite des Trichters bestimmen, um Brückenbildung zu vermeiden.

Im Trichter wirken die Stützkräfte der Wand noch stärker als im zylindrischen Schaft. Mit abnehmender Trichterbreite sinkt der vertikale Druck, bis die Druckfestigkeit des Materials größer als die Auflagespannung wird – eine Schüttgutbrücke entsteht. Der Materialfluss stoppt, bis die Belastung die Brückenfestigkeit übersteigt und die Struktur wieder kollabiert. Um einen kontinuierlichen Austrag zu gewährleisten, muss die Austragsöffnung bzw. das Austragsgerät oberhalb der natürlichen Brückenbildung positioniert werden.

CALCULATION OF THE CRITICAL OUTLET DIAMETER
flow function σc(σ) =	FL(σ) = 5.1 deg * σ + 401 Pa
bmin =	0.15 m
outlet > critical bridge =	TRUE

Fließverhalten im Silo

Beim Kernfluss entleert sich ein zentraler Strömungskanal schneller, während das umgebende Material langsamer fließt oder auch weitgehend ruht. Dies führt zu inhomogener Entleerung, Entmischung und asymmetrischen Wandbelastungen. In extremen Fällen bildet sich Schacht- oder Schlotfluss, bei dem nur der zentrale Kanal aktiv ist, während große Bereiche des Schüttguts stillstehen.

Beim Massenfluss hingegen, bewegt sich das gesamte Schüttgut gleichmäßig entlang der Wände. Alte Partikel werden zuerst entleert, tote Zonen werden vermieden. Diese Fließart erfordert glatte Wandoberflächen und steile Trichterwinkel, bietet jedoch eine kontrollierte Entleerung und hohe Prozesssicherheit.

Diese Phänomene lassen sich durch geeignete Siloauslegung (optimierte Trichterwinkel, ausreichende Auslauföffnungen, passende Wandmaterialien) durch Schüttgutcharakterisierung vermeiden.

Fazit

Nur durch experimentelle Schüttgutuntersuchungen können die relevanten Kennwerte bestimmt und in die ingenieurtechnische Auslegung nach DIN EN 1991-4 eingebunden werden. So lassen sich Druckverteilungen, Fließverhalten und Betriebssicherheit realitätsnah berechnen und vorhersagen. Das Ergebnis sind zuverlässige, wirtschaftliche und funktionssichere Silosysteme, die optimal auf das jeweilige Schüttgut abgestimmt sind.

Schüttgutmessungen

Alle für die Berechnung von Silos und Schüttgutbehältern erforderlichen physikalischen Schüttgutparameter ermitteln wir durch Messungen der Fließorte (innere Reibung), Wandreibung sowie Schütt- und Kompressionsdichte. Erfahrungswerte oder Stofftabellen zu benutzen, sind keine verlässlichen Vorgaben für die technologische Auslegung und beinhalten ein hohes Versagungspotential. Schon geringe Unterschiede in Partikelform, -größe, Oberflächenstruktur, Feuchtegehalt oder Zusammensetzung können das Verhalten des Schüttgutes signifikant verändern. Nur wenn die relevanten Schüttgutdaten und deren Streuungen bekannt sind, lassen sich Probleme frühzeitig erkennen und vermeiden.

Typischer Messumfang für eine Siloberechnung

Da Schüttgutparameter keine Konstanten, sondern Funktionen des Spannungszustandes sind, müssen sie unter verschiedenen Belastungen bestimmt werden. Für eine vollständige Siloberechnung sind mindestens folgende Untersuchungen erforderlich:

1. Fließortmessungen [YL]

   bei mindestens 3 unterschiedlichen Konsolidierungsspannungen σᵣ
   - effektiven Reibungswinkels
   - Horizontallastverhältnisses
   - Kohäsion bzw. Druckfestigkeit
   

2. Wandreibungsversuch [WF]

   Bestimmung des Wandreibungskoeffizienten bzw. Wandreibungswinkels

3. Dichtemessung [DE]

   Bestimmung der Kompressions- bzw. Schüttdichte

Ergänzende Untersuchungen:

• Schüttwinkel [AR]
• Zeitverfestigung Fließort [YLT]
• Zeitverfestigung Wandreibung [WFT]
• Veränderung der Wandreibung im Prozess [WFC]
• Bestimmung der Schüttgutfeuchte [MO]

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Unser Labor bietet umfassende Schüttgutanalysen (Fließort, Wandreibung, Zeitverfestigung) und praxisnahe Siloberechnungen. Wir empfehlen Maßnahmen zur Sicherstellung des Massenflusses.

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