Vorlesung Numerische Berechnung von Leichtbaustrukturen - 10 ...
Vorlesung Numerische Berechnung von Leichtbaustrukturen - 10 ...
Vorlesung Numerische Berechnung von Leichtbaustrukturen - 10 ...
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<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 />
<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 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.