Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul UBC berechnet Erdbebenlasten auf stehende zylindrische Konstruktionen nach dem Uniform Building Code (UBC) 1997 – für Kolonnen, stehende Tanks, Kamine und ähnliche selbsttragende Apparate. Ermittelt werden die maßgebenden seismischen Schnittgrößen: die Scherkraft, das Kippmoment an der Einspannung am Boden sowie das Biegemoment in beliebiger Höhe X über dem Fußpunkt.
Bei schlanken, stehenden Apparaten ist das Erdbeben neben dem Wind häufig der bemessungsbestimmende Lastfall für die Mantelwanddicke im unteren Bereich, für die Verankerung und für das Fundament. Das Modul setzt die Ersatzlastmethode des UBC um: Aus der Apparatemasse im Betriebszustand, der Höhe und dem Durchmesser der Konstruktion wird die seismische Gesamtlast bestimmt und über die Höhe verteilt; daraus folgen Querkraft- und Momentenverlauf.
Aus dem Biegemoment am Fuß und in der frei wählbaren Schnittebene berechnet das Modul zusammen mit der zulässigen Behälterspannung und dem Schweißnahtfaktor die erforderliche (korrodierte) Wanddicke – am Boden und in der Höhe X. Der UBC 1997 wurde in den USA durch den International Building Code mit ASCE 7 abgelöst, wird aber international, in älteren Spezifikationen und bei Nachrechnungen von Bestandsanlagen weiterhin herangezogen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Uniform Building Code UBC: 1997
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie und Massen erfassen: Eingegeben werden Außendurchmesser, Höhe und Manteldicke am Boden sowie die Apparatemasse im Betriebszustand (einschließlich Füllung, Einbauten und Isolierung). Aus Masse und Steifigkeit folgt das dynamische Verhalten – die Schwingungsdauer der Grundschwingung des als Kragarm wirkenden Apparats.
- Seismische Beiwerte nach UBC bestimmen: Nach UBC 1997 werden Zone, Baugrundklasse, Bedeutungsfaktor und Antwortverhalten der Konstruktion in die seismischen Beiwerte übersetzt, aus denen sich zusammen mit der Schwingungsdauer der Bemessungs-Basisschub (base shear) als Anteil des Gesamtgewichts ergibt.
- Lastverteilung über die Höhe: Die seismische Gesamtlast wird nach dem UBC-Ansatz über die Höhe verteilt, wobei bei schlanken Konstruktionen ein Anteil als Einzellast am Kopf angesetzt wird. Daraus ergeben sich die Scherkraft am Kopf, der Querkraftverlauf und durch Integration das Kippmoment am Einspannpunkt sowie das Moment in der gewählten Schnitthöhe X.
- Erforderliche Wanddicke nachweisen: Aus Biegemoment, Normalkraft (Eigengewicht) und Innendruckanteil wird die Längsspannung im Mantel gebildet und der zulässigen Behälterspannung unter Berücksichtigung des Schweißnahtfaktors gegenübergestellt. Das Modul weist die erforderliche korrodierte Wanddicke am Boden und in der Höhe X aus – die Grundlage für die Abstufung der Mantelwanddicke über die Apparatehöhe.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Außendurchmesser | D = | ft |
| Außendurchmesser | D = | m |
| Höhe | H = | ft |
| Höhe | H = | m |
| Druckfaktor (Tabelle 16-H, für zylindrische Baukörper=0.8) | Cq | - |
| Importance factor (Tabelle 16-K, Standard=1, Krankenhäuser=1.15) | Iw (1, 1.15) | - |
| Geschwindigkeit | v = | mph |
| Geschwindigkeit | v = | m/s |
| Geschwindigkeit | v = | km/h |
| Referenzdruck | qs = | psf |
| Referenzdruck | qs = | N/m² |
| Windkraft | F = | N |
| Dicke des Mantels am Boden | t = | in |
| Bedingung | t = | mm |
| Apparatemasse | W = | lb |
| Apparatemasse | W = | kg |
| Apparatemasse pro Fuß Höhe | w = | lb/ft |
| Apparatemasse pro Fuß Höhe | w = | kg/m |
| Schwingungsdauer | T | s |
| Zulässige Schwingungsdauer (T<Ta) | Ta | s |
| Seismische Scherkraft | V = | lbf |
| Seismische Scherkraft | V = | N |
| Faktor für Erdbebenzone (0.075..0.4) | Z (.075-.4) | - |
| Bauwerksklasse (1=Standard, 1.25=Krankenhaus) | I (1, 1.25) | - |
Häufige Fragen
Der UBC 1997 ist zurückgezogen – wann rechnet man trotzdem noch danach?
Der Uniform Building Code wurde in den USA ab 2000 durch den International Building Code (IBC) mit den Lastannahmen nach ASCE 7 ersetzt. Viele internationale Projektspezifikationen, Bestandsanlagen und ältere Kundenvorschriften verweisen jedoch weiterhin auf den UBC 1997; für Nachrechnungen, Umbauten und den Vergleich mit Altdokumentationen bleibt er deshalb praktisch relevant. Für Neubauten in Europa ist der Eurocode 8, in den USA ASCE 7 maßgebend.
Welche Masse ist bei der Erdbebenberechnung anzusetzen?
Maßgebend ist die Betriebsmasse: Leergewicht plus Einbauten, Isolierung, Bühnen und der Betriebsfüllung. Bei Kolonnen ist zusätzlich der Prüfzustand (wassergefüllt) zu betrachten, weil dort die Masse am größten ist – allerdings wird er häufig mit reduzierten seismischen Anforderungen kombiniert, da Erdbeben und Druckprobe als gleichzeitige Ereignisse unwahrscheinlich sind. Das Modul rechnet mit der eingegebenen Gesamtmasse im Betrieb.
Warum wird das Moment auch in einer beliebigen Höhe X benötigt?
Das Biegemoment nimmt vom Kopf zum Fuß hin zu, die erforderliche Wanddicke entsprechend auch. Hohe Kolonnen werden deshalb mit über die Höhe abgestuften Schussdicken gefertigt. Mit dem Moment in der Schnittebene X lässt sich für jede Schussgrenze die dort erforderliche Wanddicke nachweisen und Material einsparen, statt die Fußwanddicke über die gesamte Höhe durchzuziehen.
Ersetzt die UBC-Berechnung den Standsicherheits- und Spannungsnachweis nach Druckbehälterregelwerk?
Nein. Das Modul liefert die seismischen Schnittgrößen und die daraus erforderliche Wanddicke aus der Längsspannungsbetrachtung. Der vollständige Nachweis des Apparats umfasst zusätzlich Innen-/Außendruck nach dem Druckbehälterregelwerk (z. B. AD 2000 oder ASME VIII), die Überlagerung mit Wind (nicht gleichzeitig mit Erdbeben in voller Höhe), Stabilitätsnachweise gegen Beulen unter Axialdruck und Biegung sowie die Verankerungs- und Fundamentnachweise.