De Uitdaging
Siloba, een Belgische fabrikant van industriële opslag- en verwerkingsapparatuur, had een structurele verificatie nodig van een 6 m³ roestvrijstalen silo bestemd voor gebruik in de voedingsindustrie bij een maalderij. De silo is ontworpen voor de opslag van fijnkorrelige producten — waaronder materialen die brandbaar stof kunnen genereren — en moet daarom niet alleen de normale bedrijfsbelastingen weerstaan, maar ook de transiënte overdruk die volgt op de activering van het explosieontlastingspaneel.
De verificatie moest aantonen dat wordt voldaan aan de Uiterste Grenstoestand (UGT) eisen van drie Eurocodes: EN 1990 (Grondslagen van het Constructief Ontwerp), EN 1991-1 (Belastingen op Constructies) en EN 1993-4 (Ontwerp van Silo's). Drie afzonderlijke belastingsgevallen waren van belang: eigengewicht van de constructie, hydrostatische druk van een volle productbelasting, en de restoverdruk na het openen van het explosiepaneel. Elk belastingsgeval vereiste een specifieke analysestrategie, en de maatgevende combinatie moest worden geïdentificeerd alvorens het ontwerp kon worden goedgekeurd.
Onze Aanpak
We voerden een volledig niet-lineaire Eindige Elementen Analyse uit in Ansys Mechanical, met geometrische niet-lineariteit, niet-lineair contact tussen componenten en een niet-lineair materiaalmodel voor SS304. Het werken met niet-lineaire analyses was hier essentieel: het explosiebelastingsgeval brengt grote vervormingen met zich mee die een lineaire solver aanzienlijk zou onderschatten, en de materiaalrespons moest gevolgd worden in het plastische bereik om te bevestigen dat de reklimieten van de toepasselijke norm niet worden overschreden.
Geometrie en mesh
De volledige 3D CAD-assemblage, aangeleverd door de opdrachtgever, werd geïmporteerd en gemesht met 2D hexaëdrische schaalelementen. De meshdichtheid werd bewust verfijnd om nauwkeurige spanningsgradiënten te capteren in de dunwandige panelen, de hoeklassen en de trechterovergangen — de locaties waar lokale spanningsconcentraties het ontwerp het meest waarschijnlijk bepalen. De tien verticale M16-trekstangen van kwaliteitsklasse 8.8, die de verticale wandpanelen verbinden, werden expliciet gemodelleerd als elementen met een cirkelvormige doorsnede.
Randvoorwaarden en belastingsgevallen
De silo wordt verticaal ondersteund op vier consolepoten, die werden gemodelleerd als vaste verticale verplaatsingsbeperkingen. Drie karakteristieke belastingsgevallen werden gedefinieerd conform de toepasselijke Eurocodes en de door de opdrachtgever verstrekte gegevens:
- Eigengewicht QG,k: aangebracht als een gravitatieversnelling op het gehele lichaam.
- Hydrostatische druk QH,k: aangebracht als een variabele interne drukbelasting evenredig met de diepte, representatief voor de silo gevuld tot de nominale capaciteit van 6 m³ met een bulkproduct met een dichtheid van 750 kg/m³ — een totale productmassa van 4.500 kg.
- Stofexplosie-overdruk QA,k: een uniforme interne druk van 0,5 bar (50 kPa), representatief voor de restdruk pred op de silowanden nadat het explosiepaneel volledig is geopend. Deze waarde werd door de opdrachtgever gespecificeerd conform het explosieveiligheidsdocument van de installatie.
Belastingscombinaties (UGT)
De drie belastingsgevallen werden gecombineerd in drie UGT-belastingscombinaties met partiële veiligheidsfactoren conform Eurocode, gericht op het maatgevende scenario voor elke bezwijkmodus:
| Combinatie | Eigengewicht QG,k | Hydrostatisch QH,k | Explosie QA,k | Ontwerpdoel |
|---|---|---|---|---|
| BC 1 | 1,15 | 0 | 0 | Alleen eigengewicht — referentie stijfheid |
| BC 2 | 1,15 | 1,15 | 0 | Normaal bedrijf — volle productbelasting |
| BC 3 | 1,15 | 0 | 1,0 | Buitengewoon — stofexplosie |
Resultaten
BC 1 en BC 2 — Normale bedrijfscondities
Onder uitsluitend eigengewicht (BC 1) is de silo uiterst stijf: de maximale totale vervorming bedraagt slechts 0,17 mm, en de maximale Von Mises spanning bereikt 20 MPa — ruim binnen de toelaatbare spanning van 187 MPa voor SS304 (vloeispanning 215 MPa ÷ partiële factor 1,15). De dominante vervorming treedt op ter hoogte van de cirkelvormige inlaat op het bovenlichaam, waar de ringverstijving lokaal minder effectief is.
Het toevoegen van de volledige hydrostatische productdruk (BC 2) verhoogt de maximale vervorming tot 1,7 mm en de piek Von Mises spanning tot 73 MPa, beide nog steeds comfortabel binnen de limieten. De hoogste spanningen ontwikkelen zich in de onderste trechterpanelen en ter hoogte van de consoleoplegzones, waar de combinatie van eigengewicht en productdruk de hoogste membraan- en buigspanningsresultanten genereert.
BC 3 — Buitengewone belasting stofexplosie
De explosiebelastingscombinatie is het maatgevende geval en vereiste de meest zorgvuldige beoordeling. De uniforme interne overdruk van 0,5 bar duwt de silowanden naar buiten, wat een maximale totale vervorming van 28 mm oplevert, geconcentreerd ter hoogte van de mangaatopening in het bovenlichaam — een geometrisch meegaand gebied waar het paneel lokaal niet ondersteund is. De piek Von Mises spanning bereikt 308 MPa, wat de ontwerptoelaatbare waarde van 187 MPa overschrijdt.
Dit resultaat is echter toelaatbaar onder de bepalingen voor buitengewone belastingen van EN 1993-1-5, Bijlage C.8, die spanningen boven de vloeispanning toestaat voor buitengewone belastingsgevallen mits twee voorwaarden gelijktijdig zijn vervuld: de spanning moet onder de treksterkte van het materiaal blijven, en de maximale hoofdelastische rek mag niet meer dan 5% bedragen. Aan beide voorwaarden is voldaan:
- Maximale Von Mises spanning: 308 MPa < 520 MPa (treksterkte van SS304) ✓
- Maximale hoofdelastische rek: 0,1% < 5% (conform EN 1993-1-5 §C.8) ✓
Controle trekstangen
De tien M16-trekstangen van kwaliteitsklasse 8.8, die de verticale wandpanelen verbinden, werden analytisch geverifieerd conform EN 1993-1-8. De ontwerptrekweerstand van elke stang (Ft,Rd = 90,4 kN) overschrijdt de maximale axiale kracht afgeleid uit het FEA-model (49,2 kN), wat een voldoende marge bevestigt onder de maatgevende explosiebelastingscombinatie.
Geleverde Meerwaarde
Door een niet-lineaire FEA uit te voeren in plaats van een vereenvoudigde handberekeningsaanpak, konden we de werkelijke constructieve respons van de silo vastleggen over alle drie belastingsgevallen — inclusief het plastische vervormingsgedrag onder het buitengewone explosiescenario dat een lineaire analyse niet correct zou hebben weergegeven. De isovlakplots en rekkaarten leverden het bewijs dat nodig is om conformiteit met EN 1993-1-5 Bijlage C aan te tonen, iets dat niet haalbaar is met klassieke sterkteberekeningsmethoden alleen.
Het eindresultaat was een volledig gedocumenteerd structureel verificatierapport met geometriebeschrijvingen, materiaalgegevens, belastingsgevaldefiniëringen, belastingscombinaties, contourplots voor alle resultaten en een heldere voldoet/voldoet niet-beoordelingstabel. Dit documentatiepakket kan rechtstreeks worden ingediend bij de aangemelde instantie of het interne kwaliteitsbeoordelingsproces van de opdrachtgever.
De analyse bevestigde dat de silo voldoet aan zowel de stijfheids- als sterkte-eisen van de toepasselijke Eurocodes over alle drie maatgevende belastingscombinaties, en dat het explosie-ontlastingsontwerp functioneert zoals beoogd: het paneel opent voordat de wandspanningen de treksterkte van het materiaal benaderen, en de resulterende vervormingen blijven binnen de door de norm geaccepteerde limieten.
Een structurele FEA-verificatie nodig voor een silo, vat of opslagconstructie?
Of u nu ontwerpt conform EN 1993-4, PED, of een klantspecifieke norm, ons team kan een volledige FEA-gebaseerde structurele verificatie leveren — van geometrie-import en meshing tot en met het uiteindelijke conformiteitsrapport. Neem contact op voor een vrijblijvend eerste gesprek.
Contacteer ons of bel ons op +32 478 618 118