Janssen-Gleichung

Mit der Janssen-Gleichung (nach H. A. Janssen, 1895)<ref name="Janssen">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20110303223406

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       }}
  }}</ref> können die Spannungen in einem Silo beschrieben werden. Sie beschreibt das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung und ist ein Spezialfall der allgemeinen Gleichung des hydrostatischen Gleichgewichts unter Berücksichtigung der Silowand.

Für ein scheibenförmiges Volumelement (Radius r) der Höhe dz, das den gesamten Querschnitt <math>A = \pi r^2</math> des Silos mit Umfang <math>U = 2 \pi \cdot r</math> überspannt, gilt

<math>A \cdot \sigma_\mathrm{v} + \rho_\mathrm{b} \cdot g \cdot A \cdot \mathrm{d}z = A \left( \sigma_v + d\sigma_v \right) + \tau_\mathrm{w} \cdot U \cdot \mathrm{d}z</math>,

wobei

<math>\sigma_\mathrm{v}</math> die vertikale Spannung

<math>\rho_\mathrm{b}</math> die mittlere Dichte des Schüttgutes

<math>g</math> die Schwerebeschleunigung

<math>\tau_\mathrm{w}</math> die Wandschubspannung

<math>z</math> die Tiefe ab Oberkante des Schüttgutes bezeichnen.

Die Gewichtskraft <math>\rho_\mathrm{b} \cdot g \cdot A \cdot dz</math> des Schüttgutes in der Scheibe wirkt

dem Unterschied der Spannungen (Druckgradient) auf der Ober- und Unterseite der Scheibe (die ersten Terme auf beiden Seiten) sowie
der durch die Silowand ausgeübte Schubkraft <math>\tau_\mathrm{w} \cdot U \cdot \mathrm{d}z</math> entgegen.

Die Janssen-Gleichung kann in eine gewöhnliche Differentialgleichung umgeformt werden:

<math>\begin{alignat}{2}

\Leftrightarrow \rho_\mathrm{b} \cdot g \cdot A \cdot \mathrm dz & = A \cdot \mathrm d\sigma_v && + \tau_\mathrm{w} \cdot U \cdot \mathrm dz\\ \Leftrightarrow \rho_\mathrm{b} \cdot g \cdot \mathrm dz & = \mathrm d\sigma_v && + \tau_\mathrm{w} \cdot \frac U A \cdot \mathrm dz\\ \Leftrightarrow \mathrm d\sigma_\mathrm{v} & = \Bigl(\rho_\mathrm{b} \cdot g && - \tau_\mathrm{w} \cdot \frac U A\Bigr) \cdot \mathrm dz\\ \Leftrightarrow \frac{\mathrm d\sigma_\mathrm{v}}{\mathrm dz} & = \rho_\mathrm{b} \cdot g && - \tau_\mathrm{w} \cdot \frac 2 r \end{alignat}</math>

Die Lösung <math>\sigma_\mathrm{v}(z)</math> der Differentialgleichung kann durch Wahl geeigneter Rand- und Anfangsbedingungen gefunden werden.

Literatur

Weblinks

Berechnung von Spannungen in Silos (Janssen-Gleichung)