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Beitrag zur Traglastermittlung ringversteifter Kreiszylinderschalen unter Axialdruck

On the determination of the resistance of ring-stiffened cylindrical shells against axial compression

  • Die vorliegende Thesis beschäftigt sich mit der Ermittlung des Beulwiderstands unversteifter sowie ringversteifter Kreiszylinderschalen unter Axialdruckbelastung. Der Fokus liegt dabei auf besonders dünnwandigen Schalen mit engem und weitem Ringsteifenabstand. Besonders dünnwandige Tanks mit Ringsteifen werden vor allem im landwirtschaftlichen Bereich eingesetzt. Typische Behälter sind aus rostfreiem Stahl gefertigt und erzielen eine hohe Wirtschaftlichkeit durch einen optimalen Materialeinsatz. Ringsteifen helfen den Widerstand gegenüber Wind und Unterdruck drastisch zu erhöhen. Untersuchungen in den 1960ern und 70ern zeigten, dass die Steifen auch den Axialbeulwiderstand erhöhen. Eine Neubewertung publizierter Experimente für besonders dünnwandige Kreiszylinderschalen wurde durchgeführt. Es zeigte sich, dass die aktuelle Norm in Teilbereichen zu sicher ist. Anhand von Traglastberechnungen wurden Beulparameter bestimmt, die eine wirtschaftlichere und dennoch sichere Bemessung dieser Strukturen zulassen. Die Ergebnisse derDie vorliegende Thesis beschäftigt sich mit der Ermittlung des Beulwiderstands unversteifter sowie ringversteifter Kreiszylinderschalen unter Axialdruckbelastung. Der Fokus liegt dabei auf besonders dünnwandigen Schalen mit engem und weitem Ringsteifenabstand. Besonders dünnwandige Tanks mit Ringsteifen werden vor allem im landwirtschaftlichen Bereich eingesetzt. Typische Behälter sind aus rostfreiem Stahl gefertigt und erzielen eine hohe Wirtschaftlichkeit durch einen optimalen Materialeinsatz. Ringsteifen helfen den Widerstand gegenüber Wind und Unterdruck drastisch zu erhöhen. Untersuchungen in den 1960ern und 70ern zeigten, dass die Steifen auch den Axialbeulwiderstand erhöhen. Eine Neubewertung publizierter Experimente für besonders dünnwandige Kreiszylinderschalen wurde durchgeführt. Es zeigte sich, dass die aktuelle Norm in Teilbereichen zu sicher ist. Anhand von Traglastberechnungen wurden Beulparameter bestimmt, die eine wirtschaftlichere und dennoch sichere Bemessung dieser Strukturen zulassen. Die Ergebnisse der Parameterstudien an engringversteiften Kreiszylinderschalen bestätigten das, aus den publizierten Experimenten erwartete, hohe Tragfähigkeitsniveau. Bei kräftigen Ringsteifen spielt zunehmend die Plastizität des Materials eine maßgebende Rolle. Durch die Auswertung der modifizierten Kapazitätskurve konnten für verschiedene Steifenkonfigurationen die Beulkurvenparameter bestimmt werden. Anschließend wurde eine Interpolationsvorschrift ermittelt, mit der Beulwiderstände für alle möglichen Parameterkombinationen ermittelt werden können. Numerische Untersuchungen an beliebig ringversteiften Kreiszylinderschalen zeigten, dass die Tragfähigkeit ab einem Abstand von zwei Beulhalbwellen deutlich abnimmt. Durch die Auswertung der Traglastberechnungen mithilfe der modifizierten Kapazitätskurve und die Interpolation über den Steifenabstand konnten Beulkurvenparameter ermittelt werden. Diese ermöglichen die Bestimmung der Traglast in Abhängigkeit vom Steifenquerschnitt für beliebig ringversteifte Schalen. Vereinfachungen des Nachweisverfahrens wurden hergeleitet, die eine Traglastermittlung über die Bestimmung von nur zwei Referenzwiderständen ermöglichen. Mit den angegebenen Bemessungsgleichungen kann der praktizierende Ingenieur in guter Näherung der FEM-Ergebnisse Traglasten für axialdruckbelastete Kreiszylinderschalen mit beliebiger Ringsteifenkonfiguration ermitteln, ohne selbst numerische Simulationen erstellen zu müssen.zeige mehrzeige weniger
  • This thesis describes the research conducted on the determination of the axial buckling resistance of ring-stiffend shells subject to axial compression. The focus was set on very thin-walled, closely and arbitrary ring-stiffened shells. Very thin-walled cylindrical shells with ring stiffeners are typically employed in the agricultural and biogas industry. Often, they are made of stainless steel. To achieve a competitive price, the use of material has to be optimized. Ring stiffeners greatly contribute to the achievement of higher resistance against loads due to wind and external pressure. In the 1960s and 1970s an extensive experimental research was conducted that revealed the beneficial effect of the stiffeners also on shells subject to axial compression. An evaluation of published experiments with a special focus on very thin-walled shells revealed that the current design standards are partially too safe. A numerical study was conducted that allowed the formulation of a proposal for a new set of buckling parameters. Employing theseThis thesis describes the research conducted on the determination of the axial buckling resistance of ring-stiffend shells subject to axial compression. The focus was set on very thin-walled, closely and arbitrary ring-stiffened shells. Very thin-walled cylindrical shells with ring stiffeners are typically employed in the agricultural and biogas industry. Often, they are made of stainless steel. To achieve a competitive price, the use of material has to be optimized. Ring stiffeners greatly contribute to the achievement of higher resistance against loads due to wind and external pressure. In the 1960s and 1970s an extensive experimental research was conducted that revealed the beneficial effect of the stiffeners also on shells subject to axial compression. An evaluation of published experiments with a special focus on very thin-walled shells revealed that the current design standards are partially too safe. A numerical study was conducted that allowed the formulation of a proposal for a new set of buckling parameters. Employing these in a hand calculation procedure allows a more economical yet safe design. Numerical calculations for ring-stiffened cylindrical shells confirmed the highly improved buckling resistance compared to unstiffened shells. When strong stiffeners are employed, plasticity plays a major role in the buckling failure, even for very thin-walled shells. Employing the modified capacity curve, a new set of buckling parameters could be determined, which allow for more economical designs for a wide range of parameter combinations. The numerical calculations were extended to explore arbitrary ring-stiffened shells. It could be observed that the capacity drops as the stiffener distance exceeds two buckling half-waves. Buckling parameters could be determined from the evaluation of the modified capacity curve that allowed the calculation of the buckling resistance of arbitrary stiffened clyindrical shells. A simplified procedure was determined, which more easily allows to take into account the beneficial effect of the stiffeners by only demanding two reference resistances. Employing the proposed equations, practicing engineers may calculate safe and economical tanks and silos that consist of any ring-stiffener configuration without having to employ sophisticated numerical analysis.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Verfasserangaben: Andreas Jäger-Cañás
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48115
ISSN:1611-5023
Schriftenreihe (Bandnummer):Schriftenreihe Stahlbau (15)
Gutachter / Betreuer:Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Pasternak, Dr.-Ing. habil. Jianzhong Zhu
Dokumentart:Dissertation
Sprache:Deutsch
Erstellungsjahr:2019
Datum der Abschlussprüfung:20.12.2018
Datum der Freischaltung:07.05.2019
Freies Schlagwort / Tag:Axialbeulen; Ringsteife; Schalenbeulen; Stabilität; Stahlbau
Axial buckling; Ring stiffener; Shell buckling; Stability; Steel construction
GND-Schlagwort:Dünnwandiger Kreiszylinder; Kreiszylinderschale; Stahl; Beulung; Axialbelastung
Fakultät / Fachgebiet:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Stahl- und Holzbau
Lizenz (Deutsch):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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