Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of...
Transcript of Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of...
![Page 1: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/1.jpg)
| |
Paolo Ermanni
11. November 2015
Vorlesung 151-3207-00L Leichtbau, HS 2015
Versteifte Schalenkonstruktionen
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 1
![Page 2: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/2.jpg)
| |
Definition
Rechteckfelder
Parallelogrammfelder und Trapezfelder
Schubwandsysteme
Leitfaden
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 2
![Page 3: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/3.jpg)
| |
Schubfelder (ebene und gekrümmte) übertragen in ihrer Ebene wirkende Schublasten.
Schubfelder sind durch gedrungene Bauelemente (Gurte, Pfosten, Profile) berandet, deren Dehnsteifigkeit gross ist im Vergleich zu der des Feldes.
Nur die Randprofile übernehmen Längskräfte in ihrer Profilachse.
Anteile der Dehnsteifigkeit des Feldes werden den benachbarten Randprofilen zugeschlagen.
Flächenhafte Konstruktionen aus mehreren Schubfeldern werden auch Schubwände genannt.
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 3
Definition
![Page 4: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/4.jpg)
| |
Anwendungsfelder
Holme (Biegeträger)
offene Schubfeldträger
Einzellige Schalen
Rippen
trapezförmige Schubfeldträger
Schubwände
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 4
Quelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965
![Page 5: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/5.jpg)
| |
FEM-Modell FEM-Programm: ANSYS
Material: Aluminium: E=70‘000, =0.33
2-D Plattenelemente (Plain182)
– 10 mm x 10 mm Kantenlänge
– 8 Knoten
1-D Stabelemente (Link1)
– 10 mm Länge
– 2 Knoten
– 100 mm2 Querschnittsfläche
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 5
![Page 6: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/6.jpg)
| | 21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 6
Schubflussverteilung in den Feldern
![Page 7: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/7.jpg)
| |
Schubfluss im Stegblech Nr. 2 Schnitt
B
A
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 7
![Page 8: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/8.jpg)
| | 21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 8
Normalspannungen in den Stegblechen
![Page 9: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/9.jpg)
| | 21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 9
Normalspannungen in den Stegblechen
![Page 10: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/10.jpg)
| |
Die statischen Momente erfassen nur die Querschnitte der (Längs-) Profile.
Die Trägheitsmomente erfassen nur die Steiner‘schen Anteile
Der Schubfluss q = (s)t(s) ist in einem Schubfeld konstant.
Bei Stabilitätsüberlegungen muss die Gültigkeit der Annahme
vernachlässigbarer Membran-Normalspannungen überprüft werden
(Verträglichkeit der Dehnungen).
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 10
Idealisierung von Schubfeldträgern
![Page 11: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/11.jpg)
| |
Definition
Rechteckfelder
Parallelogrammfelder und Trapezfelder
Schubwandsysteme
Leitfaden
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 11
![Page 12: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/12.jpg)
| |
Nummerierung aller Felder und
Randelemente.
Ermittlung aller äusseren Lasten inklusive
Auflagerreaktionen.
“Abbau” von einem belasteten Knoten
ausgehend und Ermittlung der
Längskraftverteilung N(x).
Ermittlung der Schubflüsse: Einführung
einer eindeutigen Vorzeichenfestlegung für
den Schubfluss q!
Nachweis der Stabilität und Festigkeit der
Randprofile erforderlich.
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 12
Rechnerisches Vorgehen beim statisch bestimmten System
h
QlNo
h
QlNo
Qz
Az
Ax
Bx
No
Nu
![Page 13: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/13.jpg)
| |
Beispiel: Schubfeldträger mit konzentrierter Last
Aufgabe:
Ermittlung der Schubflüsse in den
Schubfeldern und Pfosten
Ermittlung der Normalflüsse in den Gurten
Daten:
b
h1
Gy
Gx
b b b
h2
H
Hx
G
C
D
A
E
F
B
Ez
A
xA
yA
mmb
mmh
mmh
254
76
229
2
1
NE
NA
NA
y
y
x
4450
2670
3560
Quelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 13
![Page 14: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/14.jpg)
| |
Beispiel: Schubfeldträger mit konzentrierter Last
Gy
Gx
A
xA
yA
Ez
H
Hx
G
C
D
A
E
F
B
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 14
![Page 15: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/15.jpg)
| |
Definition
Rechteckfelder
Parallelogrammfelder und Trapezfelder
Schubwandsysteme
Leitfaden
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 15
![Page 16: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/16.jpg)
| |
Parallelogrammfeld
3232
3113
1324
0coscos
0
0coscos
coscos
0
0sincos
sincos
0
qqlh
qhlqM
qqh
qh
qF
hq
hqlqlqF
y
z
x
Schubfeld:
l
h
Qz
D
B
C
A
Az
Ax
Dx
1
3
4
q1
q4
q3
2
q2
qqqqq 4321
Daraus folgt:
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 16
![Page 17: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/17.jpg)
| |
Längskräfte in den Gurten:
Die Aufrecherhaltung der Gleichgewichtsbedingungen in x-Richtung bedingt
die Einführung eines Normalkraftflusses im Schubfeld:
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 17
Anmerkungen zu den Parallelogrammfeldern
l
h
Qz
D
B
C
A
Az
Ax
Dx
1
2
3
4
q
q
q
q
tgqnx .2
B
q4
q3 nx
C
cos3
hqN cos3NqhQz
qhtgN sin3
q
![Page 18: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/18.jpg)
| |
Trapezfeld a
h2 h1
qo
q1
qu
q2
A
Qz Qz
1
2
3
4
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 18
![Page 19: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/19.jpg)
| |
Schubfluss ist nicht konstant entlang der Ränder
Es wird mit einem mittleren Schubfluss gearbeitet:
Gleichgewichtsbedingungen im Schubfeld:
Trapezfeld
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 19
2
110112
1122
0coscos
0
0sincos
sincos
0
0coscos
coscos
0
h
hqqahqh
aqM
aq
aqhqhqF
qqa
qa
qF
oy
uoz
uouox
l
ii dssql
q0
)(1
![Page 20: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/20.jpg)
| |
Anmerkungen zu den Trapezfeldern
Aus den GGB im Schubfeld folgt:
Einführung eines mittleren Schubflusses:
Die Gurte übernehmen einen Teil der Schublast:
Der vom Schubfluss aufzunehmende Anteil QS ist der Anteil der verbleibt,
nachdem der Gurtsanteil abgezogen wurde.
1
22
2
11
h
hq
h
hqqq uo
qqqqqq uom 21
))(
1( 1
xh
hQQ
QQQ
G
GSz
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 20
![Page 21: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/21.jpg)
| |
Beispiel Kragträger 150
100 100
100
200
P1=10kN P2=5kN P3=15kN Ay=30kN
Ax=-35kN
Bx=35kN
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 21
![Page 22: Versteifte Schalenkonstruktionen - ethz.ch · PDF fileQuelle: Bruhn, Analysis & Design of flight Vehicle Structures, Tri-state offset Company, 1965 ... Analysis & Design of flight](https://reader034.fdocuments.in/reader034/viewer/2022051009/5a7a7bd77f8b9a2d788bdc7f/html5/thumbnails/22.jpg)
| |
Realer Schubflussverlauf
)()( 1
1xh
hqxqu
qm=66.67 N/cm
33.3 N/cm
33.3 N/cm
133.3 N/cm
133.3 N/cm
21.10.2015 PAOLO ERMANNI - 151-3207-K5-VERSTEIFTE SCHALENKONSTRUKTIONEN 22