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Numerische Festigkeitsberechnung einer versteiften Struktur unter Berücksichtigung realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionen

  • Die Festigkeitsberechnung von Strukturen, zum Beispiel Platten oder Schalen, mittels der Finite-Elemente-Methode gehört schon seit längerem zum Stand der Technik. Berücksichtigt werden bei der Berechnung sowohl geometrische Nichtlinearitäten als auch das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs. Die geometrischen und strukturellen Imperfektionen werden bei der Ermittlung der Festigkeit zumeist in ausschließlich geometrischen Imperfektionen, wie bspw. Kombinationen aus Fertigungstoleranzen und den Ergebnissen von Beulanalysen zusammengefasst. Zur Rechtfertigung dieser Vorgehensweise werden die geometrischen Imperfektionen gemäß DIN EN 1993-1-5 erhöht. In einem Kommentar zur selben Norm findet sich ebenfalls eine Empfehlung zur Berücksichtigung von Schweißimperfektionen in Form von vereinfachten Längseigenspannungsverläufen. Diese werden in Abhängigkeit der Fließgrenzspannung des Werkstoffs bei Raumtemperatur und der Dicken der Fügepartner angenommen. Sowohl die Annahme rein geometrischer Imperfektionen als auch die BerücksichtigungDie Festigkeitsberechnung von Strukturen, zum Beispiel Platten oder Schalen, mittels der Finite-Elemente-Methode gehört schon seit längerem zum Stand der Technik. Berücksichtigt werden bei der Berechnung sowohl geometrische Nichtlinearitäten als auch das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs. Die geometrischen und strukturellen Imperfektionen werden bei der Ermittlung der Festigkeit zumeist in ausschließlich geometrischen Imperfektionen, wie bspw. Kombinationen aus Fertigungstoleranzen und den Ergebnissen von Beulanalysen zusammengefasst. Zur Rechtfertigung dieser Vorgehensweise werden die geometrischen Imperfektionen gemäß DIN EN 1993-1-5 erhöht. In einem Kommentar zur selben Norm findet sich ebenfalls eine Empfehlung zur Berücksichtigung von Schweißimperfektionen in Form von vereinfachten Längseigenspannungsverläufen. Diese werden in Abhängigkeit der Fließgrenzspannung des Werkstoffs bei Raumtemperatur und der Dicken der Fügepartner angenommen. Sowohl die Annahme rein geometrischer Imperfektionen als auch die Berücksichtigung vereinfachter Eigenspannungszustände, sind mit Sicherheitszuschlägen behaftet. Durch eine realitätsnähere Berücksichtigung von strukturellen und geometrischen Imperfektionen, hervorgerufen durch Schweißprozesse, kann die tatsächliche Tragfähigkeit einer Struktur wesentlich exakter bestimmt werden. Inhalt dieses Artikels ist die Anwendung eines analytisch-numerischen Hybridmodells zur Schweißimperfektionsberechnung an einer doppelt versteiften Platte und einer anschließenden Festigkeitsanalyse. Eingangs wird das analytische Modell vorgestellt und auf die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge eingegangen. Es folgt die Erläuterung des Kopplungsalgorithmus zwischen analytischem Modell und der numerischen Berechnung. Angewendet an der doppelt versteiften Platte, wird ein realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionszustand berechnet. Eine anschließende Traglastanalyse gibt Aufschluss über das Verformungsverhalten unter achsialer Krafteinwirkung. Zur Bewertung der Ergebnisse wird ein Modell gleicher geometrischer Abmessungen und Werkstoffkennwerte aus der Literatur herangezogen. Berechnet wurden die ersten 6 Eigenformen mittels analytischer und numerischer Modelle sowie die Last-Verformungskurven unter der Annahme unterschiedlicher geometrischer Imperfektionen. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu sichern, wird eingangs die Lagerung des Modells sowie der Kraftangriffspunkt in Längsrichtung invers, durch den Vergleich der ersten 6 Beulformen sowie der Last-Verformungskurven dreier Imperfektionen, bestimmt. Darauf aufbauen wird die Last-Verformungskurve für einen überlagerten Imperfektionszustand berechnet, wobei die geometrischen Imperfektionen aus den Fertigungstoleranzen abgeleitet und die strukturellen idealisiert, gemäß DIN EN 1993-1-5, gewählt werden. Abschließend werden alle Last-Verformungskurven einander gegenübergestellt. Anhand des Vergleichs kann quantifiziert werden, wie konservativ die einzelnen angenommenen Imperfektionen sind und wie sich der Verformungsverlauf darstellt, berechnet man diesen unter Verwendung realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christoph Stapelfeld, Benjamin LaunertORCiD, Hartmut PasternakORCiD, Nikolay DoynovORCiD, Vesselin MichailovORCiDGND
ISBN:978-3-941687-27-1
Title of the source (German):110 Jahre DASt und 21. DASt-Forschungskolloquium an der Technischen Universität Kaiserslautern, 6./7. März 2018
Publisher:Deutscher Ausschuß für Stahlbau DASt
Place of publication:Düsseldorf
Document Type:Conference Proceeding
Language:German
Year of publication:2018
First Page:245
Last Page:249
Faculty/Chair:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Stahl- und Holzbau
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