Wandreibung

Wandreibung von Schüttgütern: Messung und Kennwerte

Der Wandfließort beschreibt die Schubspannung, die ein Schüttgut bei unterschiedlichen Normalspannungen auf eine Wandoberfläche überträgt. Gemessen wird auf einer Probe des Wandmaterials, die die Oberfläche des Silos oder des Trichters repräsentiert.

Aus dem Wandfließort erhalten Sie Wandreibungswinkel, Wandreibungskoeffizient und ggf. Adhäsion für Haft- und Gleitreibung – die Grundlage für die Silolasten, die Trichterneigung bei Massenfluss und die Wahl des Wandmaterials.

σw τw σr τs Haftreibung Gleitreibung
Wandfließort mit Messpunkten (Beispiel): Haftreibung und Gleitreibung bei mehreren Normalspannungen σw. Haftet das Schüttgut an der Wand, schneidet der Wandfließort die τ‑Achse bei der Adhäsion – hier bei der Haftreibung (τs). Der örtliche Wandreibungswinkel ist die Steigung der Geraden vom Ursprung zum Wandfließort bei der jeweiligen Normalspannung. σr ist die Referenzspannung – nach DIN EN 1991-4 der größte Horizontaldruck im Silo.
Kennwerte

Kennwerte aus der Wandreibungsmessung

Jeder Wandfließort liefert die Kennwerte für Haft- und Gleitreibung auf dem untersuchten Wandmaterial.

Kennwert Formelzeichen in DIN EN 1991-4 Verwendung
Wandreibungskoeffizient bei Gleitreibung μd = tan φd μ Silolasten: Fülllasten, Entleerungslasten
Wandreibungswinkel bei Gleitreibung φd φw Silolasten im Trichter
Wandreibungswinkel bei Haftreibung φs – Massen- und Kernfluss, Brückenbildung
Örtlicher Wandreibungswinkel φx – tan φx = τw / σw bei der jeweiligen Normalspannung, mit Adhäsion vor allem bei kleinen Spannungen am Auslauf
Adhäsion τd, τs – Wandreibung bei kleinen Normalspannungen
Wandfließort τw(σw) – Wandreibung im Druckbereich des Silos
Messung

Durchführung der Wandreibungsmessung

Die Messung erfolgt analog zum Fließort – mit dem Unterschied, dass das Schüttgut nicht gegen sich selbst, sondern gegen eine Wandprobe geschert wird. Gemessen wird auf standardisierten Schergeräten nach ASTM D6682-B.

  1. Wandprobe Die Wandprobe wird eingesetzt und das Schüttgut in die Scherzelle darüber eingefüllt.
  2. Normalspannung Die Normalspannung auf die Wandprobe wird in Stufen aufgebracht.
  3. Scheren Je Stufe wird geschert, bis die Reibung voll mobilisiert ist – Haft- und Gleitreibung.
  4. Wandfließort Die Messpunkte aller Stufen ergeben den Wandfließort.

Normalspannungen

Die Wandreibung hängt von der Normalspannung ab, besonders bei kohäsiven Schüttgütern mit Adhäsion an der Wand. Maßgebend ist der örtliche Wandreibungswinkel φx mit tan φx = τw / σw, also die Steigung der Geraden vom Ursprung zum Wandfließort bei der jeweiligen Normalspannung. Mit Adhäsion ist er bei kleinen Normalspannungen größer als die Steigung des Wandfließortes selbst. Wir legen die Normalspannungen so fest, dass sie den Druckbereich im Silo abdecken: für die Silolasten bis zum größten Horizontaldruck, für die Trichterauslegung auch den Bereich kleiner Spannungen am Auslauf.

Mobilisierung der Reibung

Anders als bei Festkörpern ist die Wandreibung eines Schüttguts nicht sofort vollständig mobilisiert: In der Gleitebene ordnen sich die Partikel erst um. Deshalb wird je Normalspannung wiederholt geschert, bis der Reibungswiderstand seinen Höchstwert erreicht hat. Dieser Wert ist das Messergebnis für die jeweilige Normalspannung. Jede Messung erfolgt mindestens als Doppelbestimmung.

Prüfbericht und Kundenportal

Im Prüfbericht stehen für jedes Wandmaterial die Messwerte, die Kennwerte für Haft- und Gleitreibung und das σ-τ-Diagramm. Im Kundenportal lassen sich mehrere Wandmaterialien und Proben gemeinsam auswerten.

σ-τ-Diagramm aus einem Wandreibungs-Prüfbericht mit Haft- und Gleitreibung
Auszug aus einem Wandreibungs-Prüfbericht (Beispiel): Haftreibung (rot) und Gleitreibung (blau).
Auswertung

Haftreibung und Gleitreibung

Wie bei Festkörpern zeigt sich beim Scheren auf der Wand zunächst eine Spannungsspitze, die Haftreibung τw,s: Sie muss überwunden werden, um das ruhende Schüttgut auf der Wand in Bewegung zu setzen. Danach gleitet das Schüttgut stationär bei der Gleitreibung τw,d, die in der Regel gleich oder kleiner ist.

Für die Lasten nach DIN EN 1991-4 wird der Wandreibungskoeffizient μ aus dem Residualwert der Reibungskraft bei großen Verformungen bestimmt – also aus der Gleitreibung, bei einer Referenzspannung entsprechend dem größten Horizontaldruck im Silo. Der kleinere Gleitreibungswinkel ergibt dabei die größeren Drücke.

Für die technologische Auslegung – Anfahren aus der Ruhe, Massen- und Kernfluss, Brückenbildung – ist dagegen die Haftreibung ausschlaggebend, nach Lagerung auch die Haftreibung nach Zeitverfestigung.

Scherweg τw Haftreibung τw,s Gleitreibung τw,d stationäres Gleiten bei konstanter Normalspannung σw
Schubspannung über dem Scherweg bei konstanter Normalspannung (schematisch): Spitze der Haftreibung beim Anfahren, danach stationäres Gleiten.
Wandoberfläche

Wandmaterial und Veränderungen im Betrieb

Wandproben mit nominell gleicher Bezeichnung können sich in der Wandreibung um mehrere Grad unterscheiden. Aussagekräftig ist deshalb die Messung auf dem Material, aus dem das Silo tatsächlich gebaut wird.

Wandkategorien nach DIN EN 1991-4

DIN EN 1991-4 ordnet Wandoberflächen vier Kategorien zu: D1 „sehr glatt“ (z. B. kaltgewalzter oder polierter nichtrostender Stahl, Aluminium), D2 „glatt“ (z. B. Karbonstahl mit leichtem Oberflächenrost, galvanisierter Stahl), D3 „rau“ (z. B. Beton, korrodierter Kohlenstoffstahl, keramische Fliesen) und D4 für gewellte oder profilierte Wände. Die gemessene Wandreibung auf Ihrem Material ersetzt die Einordnung über Tabellenwerte.

Wandproben

Bevorzugt messen wir auf einer Probe Ihres Wandmaterials mit der vorgesehenen Oberflächenbearbeitung bzw. Beschichtung; den Zuschnitt können wir übernehmen. Für Standardmaterialien wie Baustahl, Edelstahl, verschiedene Kunststoffe, PTFE oder Keramik können wir Wandproben bereitstellen. Die Maße der Wandprobe erhalten Sie mit dem Angebot als Skizze.

Veränderungen der Wandoberfläche

Silowände ändern sich im Betrieb: Korrosion raut die Oberfläche auf, Abrieb kann sie aufrauen oder glätten, Kunststoffe können ausgehöhlt und Beschichtungen verkratzt werden. Feinanteile oder Fette aus dem Schüttgut können Poren füllen und die Wand glätten. Das kann das Fließprofil ändern – ein für Massenfluss ausgelegtes Silo geht in Kernfluss über oder umgekehrt. Auf polierten Wänden nehmen die Fülllasten zu, auf aufgerauten die Wandreibungslasten.

Zeitverfestigung an der Wand

Wie beim Fließort kann auch die Wandreibung nach einer Ruhezeit unter Last zunehmen. Wir messen die Zeitverfestigung an der Wand als Haftreibung nach definierter Ruhezeit. Das Vorgehen entspricht dem beim Fließort: Aus dem Zeitversuch ergibt sich der Zeitverfestigungsfaktor – das Verhältnis der Wandschubspannung nach und ohne Lagerzeit –, mit dem der Anstieg anteilmäßig auf die Wandfließorte übertragen wird. DIN EN 1991-4 bezieht die Zeitverfestigung nicht ein; für das Anfahren nach Stillstand und das Fließprofil nach Lagerung ist sie oft ausschlaggebend.

Häufige Fragen

Häufige Fragen zur Wandreibungsmessung

Welche Wandprobe wird benötigt?
Am aussagekräftigsten ist eine Probe des Materials, aus dem das Silo oder der Trichter gebaut wird – mit der vorgesehenen Oberflächenbearbeitung bzw. Beschichtung. Den Zuschnitt können wir übernehmen; die Maße erhalten Sie mit dem Angebot als Skizze. Für Standardmaterialien wie Baustahl, Edelstahl, verschiedene Kunststoffe, PTFE oder Keramik können wir Wandproben bereitstellen.
Welcher Wert wird für die Siloberechnung verwendet – Haft- oder Gleitreibung?
Für die Lasten nach DIN EN 1991-4 wird der Wandreibungskoeffizient μ aus dem Residualwert der Reibungskraft bei großen Verformungen bestimmt, also aus der Gleitreibung; der kleinere Gleitreibungswinkel ergibt die größeren Drücke. Für die technologische Auslegung – Massen- und Kernfluss, Brückenbildung, Anfahren nach Stillstand – ist die Haftreibung ausschlaggebend, nach Lagerung auch die Haftreibung nach Zeitverfestigung.
Kann sich die Wandreibung im Betrieb ändern?
Ja. Korrosion kann die Oberfläche aufrauen, Abrieb kann sie aufrauen oder glätten, Feinanteile oder Fette aus dem Schüttgut können Poren füllen und die Wand glätten. Dadurch kann sich das Fließprofil ändern – bis hin zu Kernfluss in einem für Massenfluss ausgelegten Silo – und die Silolasten verschieben sich. Auf Anfrage simulieren wir die Scherbelastung der Wandoberfläche über einen definierten Zeitraum und bestimmen anschließend die Veränderung des Wandreibungskoeffizienten.
Wie viel Probenmaterial wird benötigt?
Je Probenvorbereitung werden etwa 100 ml benötigt. Da jede Messung mindestens als Doppelbestimmung erfolgt, sind für die Wandreibungsmessung allein etwa 200 bis 300 ml pro Wandmaterial erforderlich. Werden zusätzlich Fließorte gemessen, kommt die dafür benötigte Menge hinzu.
Wie lange dauert die Messung?
In der Regel liegen die Ergebnisse ca. zwei Wochen nach Probeneingang vor – je nach Laborauslastung und Anzahl der Proben. Versuche zur Zeitverfestigung können die Regellaufzeit entsprechend erhöhen.

Wandreibung messen lassen

Nennen Sie uns Ihr Schüttgut und das vorgesehene Wandmaterial – wir legen die Normalspannungen fest und erstellen Ihnen ein unverbindliches Angebot.

  • Haft- und Gleitreibung auf Ihrem Wandmaterial oder unseren Standardproben
  • Wandreibungskoeffizient μ für die Silolasten nach DIN EN 1991-4
  • Ergebnisse online im Kundenportal und als Prüfbericht