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Vorlesung Numerische Berechnung von Leichtbaustrukturen - 10 ...

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<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

<strong>Vorlesung</strong> <strong>Numerische</strong> <strong>Berechnung</strong> <strong>von</strong><br />

<strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

<strong>10</strong>. <strong>Vorlesung</strong><br />

Dr.-Ing. H. Köppe<br />

Institut für Mechanik<br />

20. Januar 2013


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Schalen, Scheiben und Platten sind zweidimensionale ächenhafte<br />

Konstruktionen.<br />

• Zwei Abmessungen sind gegenüber einer dritten Abmessung (z. B.<br />

Dicke h) groÿ.<br />

• <strong>Berechnung</strong> erfolgt in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Krümmung der Flächen<br />

und der Belastung nach der Scheiben-, Platten-, oder Schalentheorie.<br />

Stäbe und Stabtragwerke sind eindimensionale Konstruktionen.<br />

• Eine Abmessung (z.B. Länge l) ist gegenüber zweier<br />

Querschnitssabmessungen (z. B. Höhe h und Breite b) groÿ.<br />

• <strong>Berechnung</strong> erfolgt in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Querschnittsgestalt und<br />

<strong>von</strong> der Belastung.<br />

⇒ klassische Biegeteorie oder Saint Venantsche Torsion<br />

⇒ Bei Verletzung spezieller Voraussetzungen an die Belastung und<br />

Querschnittsform entsehen groÿe Fehler bei der Spannungs- und<br />

Verformungsberechnung


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Bei Torsionsbeanspruchungen spielt die Querschnittsform eine<br />

entscheidende Rolle bei der <strong>Berechnung</strong> des Verformungs- und<br />

Spannungszustandes.<br />

Stäbe mit Vollquerschnitt:<br />

• Die <strong>Berechnung</strong> der Verformungen und Spannungen kann nur für<br />

Kreisquerschnitte mit einer elementaren Theorie erfolgen.<br />

• Für alle anderen Vollquerschnitte muss die Torsionsbelastung mit<br />

Methoden der klassischen Elastizitätstheorie behandelt werden.<br />

Dünnwandige Stäbe (oene und geschlossene Querschnitte):<br />

• Dünnwandige Stäbe zeichnen sich dadurch aus, dass bei ihnen die<br />

Abmessungen in drei Stufen sehr unterschiedlich groÿ sind.<br />

s<br />

s ≪ H ≪ l Richtwerte:<br />

H ≤ 0.1 und H<br />

≤ 0.1<br />

l<br />

• Die <strong>Berechnung</strong> dünnwandiger Stäbe, insbesondere mit oenen<br />

Querschnitten, erfordert bei allgemeinen Belastungen die<br />

Berücksichtigung spezieller Eekte, die in der klassischen<br />

Balkentheorie nicht enthalten sind.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Mögliche Eekte:<br />

• Torsion kann zusätzlich Längsdehnungen hervorrufen, die zu<br />

zusätzlichen Normalspannungen führen<br />

• Querkraftbeanspruchungen führen zu einer Torsionsbelastung wenn<br />

sie nicht durch den Schubmittelpunkt laufen.<br />

• Längskraftbelastungen können ebenfalls zu Torsionsbelastungen<br />

führen.<br />

Typische dünnwandige Querschnitte:<br />

• Dünnwandige oenen Querschnitte:<br />

• Dünnwandige geschlossene Querschnitte:


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Typische dünnwandige Querschnitte:<br />

• Dünnwandige geschlossene mehrzellige Querschnitte:<br />

• Dünnwandige gemischte Querschnitte:<br />

Denition<br />

Verwölbung ist eine Verschiebung der Querschnittspunkte aus<br />

der Querschnittsäche heraus in Stablängsrichtung infolge einer<br />

Torsionsbelastung.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Saint Venantsche Torsion (Reine Torsion):<br />

Man spricht <strong>von</strong> der Saint Venantschen Torsion, wenn keine<br />

Querschnittsverwölbungen auftreten oder vorhandene<br />

Querschnittsverwölbungen sich ungehindert ausbreiten können.<br />

Es gibt keine zusätzlichen Normalspannungen<br />

Neben der Saint Venantschen Schubbeanspruchung treten keine<br />

weiteren Torsionsbelastungen auf.<br />

Reine Torsion liegt somit nur für wölbfreie Querschnitte vor (z. B.<br />

Kreis- und Kreisringquerschnitte).<br />

Bei Querschnitten, die sich nur gering verwölben (z. B. allgemeine<br />

Vollquerschnitte, dünnwandige geschlossene Prole) und die<br />

Wölbbehinderung gering ist, kann als Näherung mit der Theorie der<br />

reinen Torsion gerechnet werden.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

Querschnitte verwölben sich bei einer Torsionsbelastung und diese<br />

Verwölbungen werden behindert.<br />

Dadurch entstehen zusätzliche Normal- und Schubspannungen, die in<br />

der Regel nicht vernachlässigt werden dürfen<br />

Eine Behinderung der Verwölbung kann auch durch die Einleitung<br />

eines Torsionsmomentes bzw. durch das Erzwingen einer Drehachse,<br />

die nicht mit der natürlichen Drehachse identisch ist, hervorgerufen<br />

werden.<br />

Systeme mit Wölbbehinderung sind steifer als analoge Systeme<br />

ohne Wölbbehinderung.<br />

Besonders dünnwandige oene Querschnitte weisen eine starke<br />

Verwölbung bei einer Torsionsbelastung auf<br />

Solche Prole werden sehr häug in Leichtbaukonstruktionen zur<br />

Erhöhung der Steigkeiten eingesetzt.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

Werden die auftretenden Verwölbungen durch Lagerungen oder<br />

Anschluÿkonstruktionen behindert, entstehen sogenannte<br />

Wölbnormalspannungen σ zw , die im Querschnitt eine<br />

Gleichgewichtsgruppe bilden.<br />

Die mit der Wölbnormalspannung σ zw gekoppelten zusätzlichen<br />

Schubbeanspruchungen führen zu Schubspannungen τ ω ,die einen<br />

Beitrag zum Torsionsmoment liefern.<br />

Dieser Anteil ist <strong>von</strong> der gleichen Gröÿenordnung wie das<br />

Torsionsmoment aus der reinen Torsion.<br />

Hinsichtlich der Festigkeit sind die Zusatzspannungen bei<br />

dünnwandigen Prolen unbedingt zu berücksichtigen.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

• Geometrische und statische Hypothesen:<br />

1.) Die Querschnittsform eines Stabes bleibt bei der<br />

Stabverformung erhalten<br />

2.) Die Verwölbung wird auf die Prolmittellinie bezogen.<br />

⇒ Auf Grund der Dünnwandigkeit wird diese als konstant über<br />

die Proldicke t(s) angesehen.<br />

3.) Die Schubverzerrungen in der Stabmitteläche werden<br />

vernachlässigt.<br />

4.) Es gibt im Stab nur Normalspannungen σ z in Richtung der<br />

Stabachse.<br />

⇒ Diesen Normalspannungen werden als konstant über die<br />

Proldicke t(s) angenommen.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

• Geometrische und statische Hypothesen:<br />

5.) Es gibt im Stab nur Schubspannungen τ zs in Richtung der<br />

Tangente an die Prolmittellinie s.<br />

⇒ Diese Schubspannungen sind über die Proldicke t(s) linear<br />

verteilt.<br />

⇒ Die Schubspannungen τ zs stellen die vektorielle Summe aus<br />

den Saint Venantschen Schubspannungen τ v (Primäre<br />

Schubspannungen) und den Wölbschubspannungen τ ω<br />

(Sekundäre Schubspannungen) dar.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

• Geometrische und statische Hypothesen:<br />

6.) Es werden kleine Verformungen vorausgesetzt.<br />

7.) Das Material ist homogen und isotrop.<br />

8.) Es gilt das Hookesche Gesetz.<br />

9.) Die Balken bzw. Stäbe sind gerade und haben einen konstanten<br />

Querschnitt.<br />

<strong>10</strong>.) Die Drehachse ist die Schubmittelpunktachse M.<br />

11.) Es sind alle Balken- und Stabschnittgröÿen zugelassen.<br />

• Aus der Annahme, dass die Querschnittsgeometrie erhalten bleiben<br />

soll, folgt für Belastungen in der Querschnittsebene eine mögliche<br />

Aufteilung in statisch äquivalente Belastungen.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

• Die durch die statisch äquivalente Ersetzung der Belastung in der<br />

Querschnittsebene treten nur lokale Störungen auf, die relativ schnell<br />

abklingen<br />

• Auf Grund der Möglichkeit einer Verwölbung der Querschnitte darf<br />

eine statisch äquivalente Ersetzung einer Belastung in Längsrichtung<br />

(z-Achse) nicht durchgeführt werden.<br />

⇒ Unterschiedliche statisch äquivalente Ersetzungen führen zu<br />

anderen Querschnittsverwölbungen.<br />

⇒ Verwölbungen stellen keine örtliche Störung dar, sondern<br />

beeinussen den gesamten Spannungs- und Verformungszustand.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Wölbkrafttorsion:<br />

• Beispiel einer mögliche Aufteilung einer Längskraft in statisch<br />

äquivalente Kräftegruppen:


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Anmerkung<br />

Die vorgenommene statisch äquivalente Zerlegung der Belastung 4F führt<br />

auf vier Teillastfälle.<br />

• Beispiel einer mögliche Aufteilung einer Längskraft in statisch<br />

äquivalente Kräftegruppen:<br />

⇒ 3 Teillastfälle (F L , M bx , M by ) erzeugen eine Zug-<br />

Druckbeanspruchung um zwei Achsen, wobei der Querschnitt<br />

eben bleibt.<br />

⇒ 4. Teillastfall stellt eine Gleichgewichtsgruppe dar, deren<br />

zugehörige Schnittgröÿe als Bimoment B bezeichnet wird.<br />

• Das Bimoment B führt zu einer Biegung der Flansche.<br />

⇒ Auf Grund des Erhaltes der Querschnittsgeometrie äuÿert sich<br />

diese Verformung in einer Verdrehung des Querschnittes<br />

um den Winkel ϕ und einer Verwölbung des Querschnittes<br />

⇒ Die Behinderung der Verwölbungen bestimmt die Gröÿe der<br />

zusätzlich auftretenden Norrmalspannungen.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen durch das Bimoment B<br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Koordinatensysteme<br />

S, M - Schwerpunkt, Schubmittelpunkt<br />

¯x, ȳ, ¯z - beliebiges Koordinatensystem<br />

¯x, ȳ, ¯z - Schwerpunktkoordinatensystem<br />

x, y, z - Hauptachsensystem in S<br />

x ∗ , y ∗ , z ∗ - Hauptachsensystem in M<br />

c - Prolmittellinienkoordinate<br />

s(c) - Dicke des Prols


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen<br />

u, v, w - Verschiebungen in Richtung x, y, z (positiv in positiver<br />

Koordinatenrichtung)<br />

ϕ<br />

- Verdrehung des Querschnittes um die z-Achse<br />

Querschnittswerte<br />

s(c)<br />

A = ∫ dA = ∫<br />

(A) (c)<br />

Dicke des Prols in mm<br />

s(c)dc Querschnittsäche in mm 2<br />

ξ=c ∫<br />

A(c) = s(ξ)dξ Bei c abgeschnittene Teiläche in mm 2<br />

ξ=0<br />

S¯x = ∫ ȳd = ∫<br />

(A) (c)<br />

ȳ(c)s(c)dc<br />

Statisches Moment der Gesamtäche<br />

bezogen auf ¯x in mm 3


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Querschnittswerte<br />

S ȳ = ∫ ¯xdA = ∫ ¯x(c)s(c)dc<br />

(A)<br />

(c)<br />

S¯x = Sȳ = S x = S y = 0<br />

ξ=c ∫<br />

S¯x (c) = ȳ(ξ)s(ξ)dξ<br />

ξ=0<br />

ξ=c ∫<br />

S ȳ (c) = ¯x(ξ)s(ξ)dξ<br />

ξ=0<br />

Statisches Moment der Gesamtäche<br />

bezogen auf ȳ in mm 3<br />

Statisches Moment der bei c abgeschnittenen<br />

Teiläche bezogen auf<br />

¯x in mm 3<br />

Statisches Moment der bei c abgeschnittenen<br />

Teiläche bezogen auf<br />

ȳ in mm 3<br />

Analog lassen sich die statischen Momente der bei c abgeschnittenen<br />

Teiläche bezogen auf die Koordintaten ¯x, ȳ, x, y aufschreiben<br />

I¯x ¯x = ∫<br />

(A)<br />

ȳ 2 dA = ∫<br />

(c)<br />

ȳ 2 (c)s(c)dc Flächenträgheitsmoment bezogen<br />

auf ¯x in mm 4


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Querschnittswerte<br />

I ȳȳ = ∫ ¯x 2 dA = ∫ ¯x 2 (c)s(c)dc<br />

(A)<br />

(c)<br />

I¯xȳ = − ∫ ¯xȳdA = − ∫<br />

(A)<br />

(c)<br />

¯x s =<br />

ȳ s =<br />

∫<br />

¯xdA<br />

(A)<br />

A<br />

∫<br />

ȳdA<br />

(A)<br />

A<br />

= S ȳ<br />

A<br />

= S¯x<br />

A<br />

¯x(c)ȳ(c)s(c)dc<br />

Flächenträgheitsmoment<br />

bezogen auf ȳ in mm 4<br />

Deviations- oder Zentrifugalmoment<br />

bezogen auf ȳ in mm 4<br />

Schwerpunktkoordinate ¯x s<br />

in mm 4<br />

Schwerpunktkoordinate ȳ s<br />

in mm 4<br />

Flächen- und Deviationsmomente bezogen auf ¯x, ȳ und x, y,<br />

Haupttraägheitsmomente und Lage der Hauptachsen<br />

I¯x ¯x = I¯x ¯x − ȳ 2 s A, Iȳȳ = I ȳȳ − ¯x 2 s A, I¯xȳ = I¯xȳ + ¯x s ¯x sA


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Querschnittswerte<br />

√<br />

I max = I xx = I¯x ¯x +Iȳȳ<br />

+ ( I¯x ¯x −Iȳȳ<br />

)<br />

2 2 2 + I 2¯xȳ<br />

√<br />

I min = I yy = I¯x ¯x +Iȳȳ<br />

− ( I¯x ¯x −Iȳȳ<br />

)<br />

2 2 2 + I 2¯xȳ<br />

I xy = 0<br />

tan α 0 =<br />

I¯xȳ<br />

I xx −Iȳȳ<br />

= Ixx +I¯x ¯x<br />

I¯xȳ


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Allgemeine Denitionen<br />

Spannungen<br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Analoge Zusammenhänge gelten auch für die Koordinaten ¯x, ȳ, ¯z und ¯x, ȳ, ¯z<br />

Schnittgröÿen


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

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<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Anmerkung<br />

Die Schnittgröÿen als Resultierende der Spannungen σ z (c) und τ zc(c)<br />

werden so deniert, dass ihre Wirkungslinien durch folgende Punkte gehen:<br />

Schwerpunkt S<br />

Längskraft F L , Biegemomente M bx und M by<br />

Schubmittelpunkt M<br />

Querkräfte F Qx und F Qy , Torsionsmoment M t<br />

Zwischen den Spannungen und den Schnittgröÿen bestehen folgende<br />

Zusammenhänge:<br />

F L = ∫<br />

σ z dA = ∫<br />

σ z (c)s(c)dc<br />

(A)<br />

(c)<br />

F Qx = ∫<br />

τ zx dA = ∫<br />

(A)<br />

(c)<br />

F Qy = ∫<br />

τ zy dA = ∫<br />

(A)<br />

(c)<br />

τ zc(c) cos α s(c)dc<br />

τ zc(c) sin α s(c)dc


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Zwischen den Spannungen und den Schnittgröÿen bestehen folgende<br />

Zusammenhänge:<br />

M bx = ∫<br />

σ z ydA = ∫<br />

σ z (c) y(c) s(c)dc<br />

(A)<br />

(c)<br />

M by = ∫<br />

σ z xdA = ∫<br />

(A)<br />

(c)<br />

(A)<br />

σ z (c) x(c) s(c)dc<br />

M t = ∫<br />

(τ zy x ⋆ − τ zx y ⋆ )dA = ∫<br />

τ zc(c) r t(c) s(c)dc<br />

Belastungen:<br />

q x (z), q y (z), q z (z)<br />

(c)<br />

Linienlasten in positiver x, y, z− Richtung<br />

p x (c, z), p y (c, z), p z (c, z)<br />

Flächenlasten bezogen auf die Prolmittellinie<br />

in positiver x, y, z− Richtung<br />

m x (z), m y (z), m z (z)<br />

Linienmomente bezogen auf die Achsen<br />

x, y, z<br />

(positiv wie Momente der Schnittgröÿen)


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Belastungen:<br />

F x , F y , F z Einzelkräfte in positiver x, y, z− Richtung<br />

M x , M y , M z Einzelmomente bezogen auf die x, y, z− Achsen<br />

Verformungen:<br />

- Ein Punkt P der Querschnittsäche unterliegt den allgemeinen<br />

Verformungen u, v, w .<br />

- Auf Grund der Erhaltung der Querschnittsgeometrie kann die Verformung<br />

eines Punktes in der Querschnittsäche (z = konstant) durch 3 Angaben<br />

eindeutig beschrieben werden.<br />

- Ausgehend <strong>von</strong> der Verschiebung eines willkürlichen Punktes D(x D , y D )<br />

und einer Drehung des Gesamtquerschnittes um den Drehpol D kann man<br />

die Verschiebung eines beliebigen Punktes darstellen.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen:<br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

u = u D − r D ϕ sin β = u D − (y − y D )ϕ<br />

v = v D − r D ϕ cos β = v D − (x − x D )ϕ<br />

mit<br />

sinβ = (y − y D )/r D ; cosβ = (x − x D )/r D<br />

Zerlegung der Verschiebungen in tangentiale und radiale Richtung<br />

⇒ Diese Richtungen sind um den Winkel α gegenüber u und v gedreht.<br />

ξ = u cos α + v sin α<br />

η = −u sin α + v cos α


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen:<br />

Einsetzen der Verschiebungen u, v in die Transformationsgleichung:<br />

ξ = u D cos α + v D sin α + [(x − x D ) sin α − (y − y D ) cos α]ϕ<br />

} {{ }<br />

r nD<br />

η = −u D sin α + v D cos α + [(x − x D ) cos α − (y − y D ) sin α]ϕ<br />

} {{ }<br />

r tD<br />

r tD<br />

r nD<br />

Länge des Lotes <strong>von</strong> D auf die Tangente in P<br />

Länge des Lotes <strong>von</strong> D auf die Normale in P<br />

und somit<br />

ξ = u D cos α + v D sin α + r nD ϕ<br />

η = −u D sin α + v D cos α + r tD ϕ


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen:<br />

Die noch fehlende Verschiebung w (Verwölbung) der Querschnittspunkte in<br />

z-Richtung lässt sich aus der Annahme, dass die Gleitung der<br />

Prolmittellinie γ zc = 0 ist, ermitteln.<br />

γ zc = ∂η<br />

∂z + ∂w<br />

∂c = 0<br />

∂w<br />

∂c<br />

= − ∂η<br />

∂z<br />

w(z, c) = w 0 (z) − ∫ ∂η<br />

∂z dc<br />

Für die Verschiebung w(z, c) erhält man:<br />

⇒ w(z, c) = w 0 − ∫ [− ∂u D<br />

∂z<br />

sin α + ∂v D<br />

∂z<br />

cos α + r tD ∂ϕ<br />

∂z ]dc


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen:<br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

dc sin α = −dx,<br />

r tD dc = dω D ,<br />

dc cos α = dy<br />

(...) ′ = ∂(...)<br />

∂z<br />

Die Gröÿe dω D ist geometrisch die<br />

doppelte Fläche (Sektoräche),<br />

die <strong>von</strong> DPP' eingeschlossen wird.<br />

Damit erhält man für w(z, c) :<br />

⇒ w(z, c) = w 0 (z) − ∫ u ′ D (z)dx − ∫ v ′ D (z)dy − ∫ ϕ ′ D (z)dω D(c)


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen:<br />

⇒ w(z, c) = w 0 (z) − u ′ D (z)x(c) − v ′ D (z)y(c) − ϕ′ D (z)ω D(c)<br />

Da die Gröÿen u ′ D , v ′ D und w 0 vom Bezugspunkt D unabhängig sind, kann<br />

auf eine Indizierung verzichtet werden:<br />

⇒ w(z, c) = w 0 (z) − u ′ (z)x(c) − v ′ (z)y(c) − ϕ ′ (z)ω D (c)<br />

Es bedeuten:<br />

w 0 (z)<br />

u ′ (z)x(c)<br />

v ′ (z)y(c)<br />

Verschiebung des Querschnitts als starre Scheibe<br />

in z-Richtung (Zug/Druck-Beanspruchung)<br />

Verschiebung der Querschnittspunkte durch Drehung<br />

des starren Querschnitts um die y-Achse<br />

(Biegung um die y-Achse)<br />

Verschiebung der Querschnittspunkte durch Drehung<br />

des starren Querschnitts um die x-Achse<br />

(Biegung um die x-Achse)


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Verformungen:<br />

ϕ ′ (z)ω D (c)<br />

Verwölbung des Querschnitts in z-Richtung für den<br />

gewählten Bezugspunkt D<br />

(dadurch bleibt der Querschnitt nicht mehr eben),<br />

ω D (c)<br />

ω D (c) ist die Wölbfunktion für den Bezugspunkt D,<br />

die wegen der möglichen geometrischen Deutung<br />

auch Sektorkoordinate bzw. Einheitsverwölbung,<br />

da sie die Verwölbung für ϕ ′ (z) = ϑ = 1 repräsentiert,<br />

genannt wird.<br />

kann durch Integration aus der dierentiellen<br />

Sektorkoordinate dω D berechnet werden:<br />

ω D (c) = ∫ r tD dc + ω D0<br />

ω D0<br />

ist eine noch zu bestimmende Integrationskonstante


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Die Sektorkoordinate ω D ist vom Bezugspunkt D (Drehpol) und vom<br />

Anfangspunkt der Koordinate c, für die die Sektorkoordinate zunächst zu<br />

Null angenommen werden kann, abhängig.<br />

Im Folgenden sollen Transformationsgleichungen für unterschiedliche Lagen<br />

<strong>von</strong> D und Anfangspunkte c (mit ω D (c = 0) = 0) angegeben werden.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

a) Unterschiedliche Drehpole D bei gleichen Anfangspunkt O für die<br />

Koordinate c:<br />

Es gelte:<br />

ω D1 (c) - Sektorkoordinate bezüglich D 1<br />

ω D2 (c) - Sektorkoordinate bezüglich D 2<br />

Annahme:<br />

ω D1 (c = 0) = ω D2 (c = 0) = 0<br />

Es gilt (vgl. markierte Flächen) :<br />

dω D1 = r tD1 dc<br />

und dω D2 = r tD2 dc


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

Es gilt:<br />

r tD1 = (x − x 1 ) cos α + (y − y 1 ) sin α, r tD2 = (x − x 2 ) cos α + (y − y 2 ) sin α<br />

dc sin α = −dx;<br />

Daraus folgt:<br />

dc cos α = dy<br />

dω D1 (c) = (x − x 1 )dy − (y − y 1 )dx;<br />

dω D2 (c) = (x − x 2 )dy − (y − y 2 )dx<br />

Bilden <strong>von</strong> dω D1 (c) − dω D2 (c):<br />

dω D1 (c) − dω D2 (c) = d(ω D1 (c) − ω D2 (c)) = −(x 1 − x 2 )dy − (y1 − y 2 )dx<br />

Die Integration der Gleichung liefert:<br />

ω D1 (c) − ω D2 (c) == −(x 1 − x 2 ) − (y1 − y 2 ) + C


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

Mit der Randbedingung:<br />

folgt:<br />

ω D1 (c = 0) = ω D2 (c = 0) = 0<br />

0 = −(x 1 − x 2 )y 0 + (y 1 − y 2 )x 0 + C<br />

C = +(x 1 − x 2 )y 0 − (y 1 − y 2 )x 0<br />

nach dem Einsetzen <strong>von</strong> C die Transformationsvorschrift erhält man :<br />

ω D2 = ω D1 + (x 1 − x 2 )(y − y 0 ) − (y1 − y 2 )(x − x 0 )


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

b) Unterschiedliche Anfangspunkte für die Koordinate c bei festem Drehpol D:<br />

Es gelte:<br />

P Punkt für den die Sektorkoordinate ω D berechnet werden soll.<br />

O 1 , O 2 Anfangspunkte der Koordinaten c 1 und c 2 , für die jeweils die<br />

Sektorkoordinaten zu Null angenommen werden:<br />

ω D (c 1 = 0) = 0 und ω D (c 2 = 0) = 0<br />

k konstanter Abstand entlang der Prolmittellinie <strong>von</strong> O 1 nach O 2


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

ω D (c 2 ) =<br />

ξ 2 ∫=C2<br />

ξ 2 =0<br />

r tD dξ 2 =<br />

Es gelte:<br />

c 1 = c 2 + k und damit dc 1 = dc 2<br />

ω D (c 1 ) =<br />

bzw.<br />

ξ 1 −k=C1−k ∫<br />

ξ 1 =k<br />

ω D (c 2 ) =<br />

ξ 1 ∫=C1<br />

ξ 1 =0<br />

ξ 2 ∫=C2<br />

ξ 2 =0<br />

r tD dξ 1 =<br />

r tD dξ 1<br />

r tD dξ 2<br />

ξ 1 ∫=C1<br />

ξ 1 =k<br />

r tD dξ 1<br />

ω D (c 2 ) =<br />

ξ 1 ∫=C1<br />

ξ 1 =0<br />

r tD dξ 1 −<br />

ξ 1 ∫=k<br />

ξ 1 =0<br />

ω D (c 2 ) = ω D (c 1 ) −<br />

r tD dξ 1<br />

ξ 1 ∫=k<br />

ξ 1 =0<br />

r tD dξ 1


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Allgemeine Denitionen<br />

Transformationsgleichungen für die Sektorkoordinate<br />

ω D (c 1 ) = ω D (c 2 ) + ω D (c 1 = k)<br />

Bei unterschiedlichen Anfangspunkten für c (für die jeweils<br />

ω D (c = 0) = 0 gelten soll) und festem Drehpol D unterscheiden sich die<br />

Sektorkoordinaten um einen konstanten Wert der Gröÿe ω D (c 1 = k).<br />

Anmerkung<br />

Drehpol D zunächst beliebig aber zweckmäÿig festlegen (möglichst<br />

Schnittpunkt mehrerer Prolmittellinien)<br />

Festlegung eines Nullpunktes O 1 auf der Prolmittellinie, für den zunächst<br />

die Sektorkoordinate ω D zu Null angenommen wird.<br />

⇒ Bei Symmetrie in den Schnittpunkt <strong>von</strong> Symmetrielinie und<br />

Prolmittellinie, da hier die tatsächliche Sektorkoordinate Null wird bzw. ist.


Wölbkrafttorsion dünnwandiger gerader Stäbe mit<br />

oenem Querschnitt<br />

<strong>Vorlesung</strong><br />

<strong>Numerische</strong><br />

<strong>Berechnung</strong><br />

<strong>von</strong> <strong>Leichtbaustrukturen</strong><br />

Dr.-Ing. H.<br />

Köppe<br />

Anmerkung<br />

Ein Anfangsradiusstrahl DO 1 bewegt sich entlang der Prolmittellinie<br />

(c-Koordinate) über den gesamten Querschnitt.<br />

Die dabei überstrichene Fläche vom Anfangsradiusstrahl bis zum aktuellen<br />

Radiusstrahl ist ein Maÿ für die Sektorkoordinate (ω D = 2x<br />

überstr. Fläche).<br />

Dreht sich der Radiusstrahl im mathematisch positiven Sinn, dann wächst<br />

die Sektorkoordinate positiv an. )<br />

Mit Hilfe der obigen Transformationsformeln kann die Sektorkoordinate<br />

auch aus abschnittsweise (für jeweils geeignete Anfangspunkte bei festem<br />

Drehpol D) berechneten Werten für einen beliebigen Anfangspunkt O<br />

ermittelt werden.

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