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Lightweight structured steel members : properties and application

Leichte strukturierte Tragwerkselemente aus Stahl : Eigenschaften und Anwendung

  • This thesis is dedicated to the structured sheet metals topic. Structured sheet metals are semi-finished products with the honeycomb (cell) shape, made by cold forming of the flat sheets. They represent an innovative technology in the field of lightweight construction. In recent years, this technology has undergone dynamic development what gives to researchers possibilities to improve the level of knowledge about structured sheets metals properties and explore new application fields for them. The structuring improves basic properties, such as stiffness, compared to the flat sheet material. Due to these advantages, the use of structured sheet metals offers enormous innovation potential for efficient lightweight construction in many industrial sectors such as aerospace, rail transport technology, architectural products. Structured sheets have already been implementing in lighting technology, in the manufacture of household appliances and even in automotive industry. So that, the question arises if it possible to apply this kind ofThis thesis is dedicated to the structured sheet metals topic. Structured sheet metals are semi-finished products with the honeycomb (cell) shape, made by cold forming of the flat sheets. They represent an innovative technology in the field of lightweight construction. In recent years, this technology has undergone dynamic development what gives to researchers possibilities to improve the level of knowledge about structured sheets metals properties and explore new application fields for them. The structuring improves basic properties, such as stiffness, compared to the flat sheet material. Due to these advantages, the use of structured sheet metals offers enormous innovation potential for efficient lightweight construction in many industrial sectors such as aerospace, rail transport technology, architectural products. Structured sheets have already been implementing in lighting technology, in the manufacture of household appliances and even in automotive industry. So that, the question arises if it possible to apply this kind of material successfully in other areas such as building industry. This work contains an overview of the lightweight constructions historical development and stiffening elements in the steel industry, also the creation process of structured sheet metals, manufacturing investigated specimens, further bending tests, numerical simulations, analysis and comparison of resulting data and possible further use of lightweight beams with structured sheet elements as a building construction. In this work beams compound of structured and flat plates are investigated. Steps of structured plates manufacturing process are described: hydroforming, point- and laser welding and bending. As a result, lightweight beams of two main shapes are manufactured: C- and square sectioned. There are four types of beams for each of the shapes are investigated. Every type has same geometrical dimensions, but thicknesses vary. The series of laboratory tests with created beams under load is made. Three- and four-points bending tests are chosen for that. This work also presents numerical analysis based on conducted experiments: buckling and global non-linear behavior of specimens by use of the software package ABAQUS/CAE are obtained. The behavior of the beams with structured and flat sheets under load is analyzed and the comparison of parameters such as load bearing capacity and stiffnesses is made. Finally, in addition to laboratory and simulations, parametric modelling is done. Also, based on parametric calculations, the proposal for calculation the beams stiffness for with higher thicknesses is given. It allows to predict the behavior of beams with structured sheets with different thicknesses without manufacturing and conducting the expensive and time-taking laboratory experiments. In conclusion, the recommendations for the simplifying of manufacturing process and for the improving of the beams stiffnesses are given.show moreshow less
  • Diese Dissertation widmet sich dem Thema strukturierte Bleche. Strukturbleche sind Halbzeuge und haben eine Wabenform, die durch Kaltverformung der Flachbleche hergestellt werden. Sie stellen eine innovative Technologie im Bereich Leichtbau dar. In den letzten Jahren hat diese Technologie eine dynamische Entwicklung erfahren, was den Forschern Möglichkeiten gibt, den Wissensstand über die Eigenschaften von strukturierten Blechen zu verbessern und neue Anwendungsfelder für sie zu erforschen. Die Strukturierung verbessert grundlegenden Eigenschaften, wie beispielsweise die Steifigkeit, im Vergleich zum Flachmaterial. Aufgrund dieser Vorteile bietet der Einsatz den strukturierten Blechen in vielen Industriebereichen ein enormes Innovationspotenzial für eine effiziente Leichtbau. Strukturierte Bleche finden bereits Anwendung in der Beleuchtungstechnik, bei der Herstellung von Haushaltsgeräten und sogar in der Automobilindustrie. Daher stellt sich die Frage, ob es möglich wäre, diese Art von Material erfolgreich in anderen Bereichen, wieDiese Dissertation widmet sich dem Thema strukturierte Bleche. Strukturbleche sind Halbzeuge und haben eine Wabenform, die durch Kaltverformung der Flachbleche hergestellt werden. Sie stellen eine innovative Technologie im Bereich Leichtbau dar. In den letzten Jahren hat diese Technologie eine dynamische Entwicklung erfahren, was den Forschern Möglichkeiten gibt, den Wissensstand über die Eigenschaften von strukturierten Blechen zu verbessern und neue Anwendungsfelder für sie zu erforschen. Die Strukturierung verbessert grundlegenden Eigenschaften, wie beispielsweise die Steifigkeit, im Vergleich zum Flachmaterial. Aufgrund dieser Vorteile bietet der Einsatz den strukturierten Blechen in vielen Industriebereichen ein enormes Innovationspotenzial für eine effiziente Leichtbau. Strukturierte Bleche finden bereits Anwendung in der Beleuchtungstechnik, bei der Herstellung von Haushaltsgeräten und sogar in der Automobilindustrie. Daher stellt sich die Frage, ob es möglich wäre, diese Art von Material erfolgreich in anderen Bereichen, wie zum Beispiel in der Bauindustrie, einzusetzen. Diese Arbeit verschafft einen Überblick über der Entstehungsprozess strukturierter Bleche, die Herstellung der untersuchten Probekörpern, weiterführende Biegeversuche, numerische Simulationen, Analyse und Vergleich der resultierenden Daten, wie auch mögliche Weiterverwendung des Leichtbauträgers mit strukturierten Blechelementen im Hochbau. In dieser Arbeit werden Träger aus strukturierten und ebenen Blechen untersucht. Die Stufen des Herstellprozesses von strukturierten Blechen können wie folgt beschrieben werden: Hydroforming, Punkt- und Laserschweißen und Biegen. Jede untersuchte Form wurde in vier unterschiedlichen Varianten vorgefertigt. Jede Variante verfügt über die gleiche Geometrie und unterscheiden sich durch ihre Dicke. Biegeversuche werden an den erstellten Trägern unter Belastung durchgeführt. Die hierfür ausgewählten Methoden sind die Drei- und Vierpunkt-Biegeversuche. Diese Arbeit präsentiert auch die numerischen Analysen, die sich auf durchgeführten Untersuchungen basieren. Knicken und das nichtlineare Verhalten von Proben werden durch die Anwendung des Softwarepakets ABAQUS/CAE abgebildet. Das Verhalten der Träger mit strukturierten und ebenen Blechen wird unter Belastung analysiert. Anschließend wird der Vergleich von Tragfähigkeit und Steifigkeiten gezogen. Zusätzlich zu den Versuchen und Simulationen wurde eine parametrische Modellierung vorgenommen. Außerdem auf der Grundlage den parametrischen Berechnungen wird der Vorschlag zur Berechnung für die Träger mit größeren Dicken gegeben. Es ermöglicht die Vorhersage des Verhaltens von Trägern aus strukturierten Blechen, die über den unterschiedlichen Dicken verfügen, ohne die Herstellung und Durchführung von kostenintensiven und zeitaufwändigen Laboruntersuchungen. Abschließend werden Empfehlungen zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses und zur Verbesserung der Trägersteifigkeit gegeben.show moreshow less

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Metadaten
Author: Darita Shlychkova
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65311
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6531
ISSN:1611-5023
Series (Serial Number):Schriftenreihe Stahlbau (21)
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Pasternak, Prof. Dr.-Ing. Biljana Scepanovic, Prof. Dr. techn. Jörgen Robra
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/04/28
Release Date:2024/02/09
Tag:Leichtbau; Leichte Stahlträger; Sandwichelemente; Strukturierte Bleche
Lightweight constructions; Sandwich members; Structured sheet metals
GND Keyword:Träger; Blech; Strukturiertes Blech; Belastung; Tragverhalten; Steifigkeit
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Stahl- und Holzbau
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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