Strukturlabor -- HS 2013 - ETH Zürich

Strukturlabor - HS 2013 

Entwicklung von Leichtbau - Biegeträgern 

gern 

Einführung 

ETH 

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich 

Swiss Federal Institute of Technology Zurich 

Strukturlabor 

Markus Zogg, 26. September 2013, 1 

Markus Zogg, 26. September 2013 

CENTRE OF STRUCTURE 

TECHNOLOGIES 

www.structures.ethz.ch


1. Einleitung 

2. Aufgabenstellung 

3. Organisation 

4. Vorjahre 


Markus Zogg, 26. September 2013, 2

1. Einleitung 

1. Einleitung 



4. Vorjahre 



1. Einleitung 

Ziel 

Anwendung von in verschiedenen Vorlesungen Gelerntem an 

einer konkreten Problemstellung der Strukturmechanik 

Auslegung, Konstruktion, Bau und Testen einer leichten 

Trägerkonstruktion in Gruppen von 2-3 Studenten 

Vergleich unterschiedlicher Werkstoffe und Bauweisen 

(I-Träger, Kastenträger, ...) 

Erfassen und Diskussion von: 

• Dehnungen an kritischen Stellen 

• Instabilitäten (Beulen, Knicken) 

• Versagen der Struktur 




1. Einleitung 



4. Vorjahre 




Biegeträger ger 

Entwicklung von Leichtbau - Biegeträgern 

gern 

Aufgabe - bei für einzelne Gruppen vorgegebener Bauweise: 

• Konstruktion & Dimensionierung (inkl. Validierung mit Versuchen) 

• Fertigungskonzept & Kostenabschätzung 

Anforderungen an den Biegeträger: 

• Bauraum (Querschnitt): 50 mm (Höhe) x 110 mm (Breite) 

• Länge des Trägers: ca. 480 mm 

• 3-Punkt Biegebelastung: 

- 400 mm Auflagelänge 

- min. 7'500 N Last (Sicherheitsfaktoren bereits berücksichtigt) 

- max. 15 mm Durchbiegung bei 7'500 N Last 

••• 





••• 

• Einsatz bei Raumtemperatur in trockenem Klima 

• möglichst geringes Gewicht 

Versuchsaufbau: 

Ø30 

Bauraum 

50 

Ø30 

400 

480 

••• 





••• 

es soll ein Kastenträger konstruiert werden, dessen "Basiselemente" 

ein Omega Profil und eine Platte sind 

Omega Profil 

Klebeschicht 

Platte 

konstruktive Optimierungen, wie unterschiedliche Dicken und 

Orientierungen des Laminates, Sandwichelemente, Löcher, 

Rippen, etc. sind innerhalb des Bauraumes möglich 

die Herstellung der einzelnen Faserverbundelemente erfolgt 

im Nasslaminierverfahren 

die einzelnen Faserverbundelemente werden mit eingedicktem 

Laminierharz verklebt 



•••



••• 

Das Werkzeug für das Omega Profil hat die folgenden 

Abmessungen: 

70 

50 

R10 

35 

30 

110 

R10 

••• 





••• 

für die Versuche sollen jeweils zwei Dehnmessstreifen an 

"interessanten" Stellen auf die Träger aufgeklebt werden 

analytische Grobauslegung des Biegeträgers 

• globales Verhalten mit Balkentheorie 

• abschätzen von lokalen Effekten (Krafteinleitung, Beulen, Knicken) 

Verfeinerung der Auslegung mit einer FEM Berechnung 

→ das zu verwendende Programm ist mit dem betreuenden 

Assistenten abzusprechen 

die Träger können im Composite Labor des IMES-ST (Zentrum für 

Strukturtechnologien) hergestellt werden 

→ die Arbeiten sind mit dem betreuenden Assistenten sowie 

mit dem Laborleiter Thomas Heinrich (CLA D24, 

thomas.heinrich@IMES.mavt.ethz.ch) abzusprechen 




Materialien 

zur Verfügung stehende Fasern: 

• CF: - Gewebe, 200 g / m² , Köper (Tissa 862.0200.04.1000) 

- CF UD Gewebe, 230 g / m² (Tissa 862.0230.080.0300) 

• GF: - Gewebe, 300 g/m², Leinwand (Tissa 850.0300.01.1240) 

- UD Gewebe, 445 g/m² (Tissa 850.0445.80.0600) 

• NF: - Flachs Gewebe, 200 g / m² , Arial (Bcomp 5031) 

- Flachs UD, 900 g / m² , Arial (Bcomp 5009) 

zur Verfügung stehendes Laminierharzsystem: 

• R&G L-235 und Härter L-235 

Verklebung mit eingedicktem Laminierharz 

Kernmaterialien für Sandwichstrukturen werden bei Bedarf 

durch die Betreuer organisiert 




1. Einleitung 



4. Vorjahre 




Überblick 

- Termine 

was ? wann ? wo ? wer ? 

Einführung - Strukturlabor & FVK I 26. Sept. 2013 / 14 15 -17 00 ETF B105 MZ 

Einführung - FVK II & Auslegung 3. Okt. 2013 / 14 15 -17 00 ETF B105 MZ, Ermanni AS, MaS 

Einführung Nasslaminieren 

11. Okt. 2013 / 08 15 -11 00 CLA D31 TH 

10. Okt. 2013 / 14 15 -17 00 

17. Okt. 2013 / 14 15 -17 00 

Kolloquium - Auslegung Biegeträger 24. Okt 2013 / 14 15 -17 00 ETF B105 Studenten 

Einführung - Verkleben der Schalen 31. Okt. 2013 / 14 15 -17 00 ETF B105 MZ, Ermanni AS, TH 

Kleben DMS - Prototyp Biegeträger 6. Nov. 2013 / 10 15 -12 30 CLA D33 Studenten 

Versuch - Prototyp Biegeträger 

7. Nov. 2013 / 14 15 -17 00 CLA A13.1 Studenten 

freies arbeiten 14. Nov. 2013 

- - 

21. Nov. 2013 / 13 

Prüfung 15 -18 00 

LEO C1 Studenten 

je 45 mim pro Gruppe 

freies arbeiten 28. Nov. 2013 

- - 

Kolloquium - Kostenabschätzung 5. Dez. 2013 / 14 15 -16 00 ETF B105 MZ 

Kleben DMS - verbesserter Biegeträger 11. Dez. 2013 / 8 15 -11 55 CLA D33 Studenten 

Versuch - verbesserter Biegeträger 12. Dez. 2013 / 14 15 -17 00 CLA A13.1 Studenten 

freies arbeiten 19. Dez. 2013 

- - 

Abgabe des Berichtes (beim Assistent) 

20. Dez. 2013 / 12 00 

LEO (Büro) 

Studenten 




26. September 2013 

Einführung & faserverstärkte rkte Kunststoffe 

Inhalt: 

• Einführung Strukturlabor 

• Einführung faserverstärkte Kunststoffe - Teil 1 

• Einführung Leichtbau 

wo ? / wann ? / wer ? 

• ETF B105 

• 14 15 -17 00 

• Markus Zogg 




3 Oktober 2013 

faserverstärkte rkte Kunststoffe II & Auslegung 

Inhalt: 

• Einführung faserverstärkte Kunststoffe - Teil 2 

• Berechnung von Leichtbaustrukturen mit der Balkentheorie 

• Einführung in die Berechnung von Leichtbaustrukturen 

mittels FEM 


• ETF B105 

• 14 15 -17 00 

• Markus Zogg, Alberto Sánchez Cebrián, Mattia Serra 




10., 11. oder 17. Oktober 2013 

Nasslaminieren 

Inhalt: 

• praktische Übung Nasslaminieren 

• Nasslaminieren von 3-dimensionalen Strukturen 

• Aushärten unter Vakuum 


• CLA D31 

• 14 15 -17 00 (10. und 17. Oktober) 

8 15 -11 00 (11. Oktober) 

• Thomas Heinrich 




24. Oktober 2013 

Kolloquium - Auslegung des Biegeträgers 

gers 

Vortrag (ca. 15 min pro Gruppe) + Diskussion 

Inhalt des Vortrags: 

• gewähltes Konzept 

• Grobauslegung des Biegeträgers (Handrechnung) 

• Analyse der lokalen Lasten mit FEM Berechnung 

• Identifikation und Dimensionierung von stabilitätskritischen 

Elementen (Beulen oder Knicken) 


• ETF B105 

• 14 15 -14 35 / Gruppe 1 (CFK) 

• 14 35 -14 55 / Gruppe 2 (GFK) 

• 15 15 -15 35 / Gruppe 3 (NFK) 

• 15 35 -15 55 / Gruppe 4 (CFK oder NFK) 




31. Oktober 2013 

Verkleben der Schalen 

Inhalt: 

• Einführung Verbindungs- und Klebetechnologien 

• Demo & praktische Übung im Labor 


• ETF B105 / CLA D31 

• 14 15 - ca. 15 00 (Einführung, ETF B105) 

15 15 - ca. 16 00 (praktischer Teil, CLA D31) 

• Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg, Thomas Heinrich 




7. November 2013 

Versuch - Prototyp Biegeträger 

ger 

aufkleben von 2 Dehnmessstreifen an interessanten (kritischen) 

Stellen des Biegeträgers (6. November 2013 / 10 15 -12 30 / CLA D31) 

Vortrag (ca. 10 min) + Vermessen des Trägers + Versuch 



• Analyse der kritischen Stellen: 

- Maximale Materialbelastung 

- Beulen oder Knicken 

- lokale Effekte an den Krafteinleitungsstellen 

→ wo und warum versagt der Träger 

• Vorhersagen: 

- Federkonstante im linearen Bereich → Last über Weg [ N / mm ] 

- Dehnung bei Dehnmessstreifen über Weg [ % / mm ] 

- maximal ertragene Last als Zahl 

••• 





••• 

Vermessen und Versuch 

• Einhaltung des Bauraums im Querschnitt 

• Länge des Biegeträgers 

• Gewicht des Biegeträgers 

• 3 Punkt Biegeversuch auf Universalprüfmaschine 


• CLA A13.1 

• 14 15 -14 35 / Gruppe 1 (CFK) 

• 14 35 -14 55 / Gruppe 2 (GFK) 

• 15 15 -15 35 / Gruppe 3 (NFK) 






Prüfung 

Vortrag in Gruppe - jeder trägt einen Teil vor (total ca. 20 min): 

• Konzept, Auslegung (analytisch & FEM) und Fertigung 

des Prototyp Biegeträgers 

• Ergebnisse des ersten Versuchs und deren Analyse 

• Vorschläge zur Verbesserung des Biegeträgers 

Fragen - individuell an die einzelnen Studenten: 

• Konzept, Auslegung und Fertigung 

• spezieller Fokus auf von der jeweiligen Gruppe 

hergestellte Biegeträger 

••• 





••• 


• LEO C1 

• 13 15 -14 00 / Gruppe 1 (CFK) 

• 14 15 -15 00 / Gruppe 2 (GFK) 

• 15 15 -16 00 / Gruppe 3 (NFK) 


• Studenten einer Gruppe, Prof. Ermanni & Beisitzer 

Zusammensetzung der Gesamtnote: 

• Präsentationen der Gruppen (20 %) 

• Bericht & Qualität der Ergebnisse (40 %) 

• mündliche Prüfung (40 %) 




5. Dezember 2013 

Kolloquium - Kostenabschätzung 

tzung 

Inhalt: 

• Einleitung 

• anfallende Kosten 

• Excel Vorlage für Kostenrechnung 


• ETF B105 

• 14 15 - ca. 16 00 

• Markus Zogg 





Versuch - verbesserter Biegeträger 

ger 

aufkleben von 2 Dehnmessstreifen an interessanten (kritischen) 

Stellen des Biegeträgers (11. Dezember 2013 / 8 15 -11 55 / CLA D31) 

Vortrag (ca. 10 min) + Vermessen des Trägers + Versuch 


• Diskussion der Ergebnisse des ersten Versuchs 

• Verbesserungen am Träger für den zweiten Versuch 

• Fertigungskonzept & Kostenabschätzung 

• Vorhersagen: 

- Federkonstante im linearen Bereich → Last über Weg [ N / mm ] 

- Dehnung bei Dehnmessstreifen über Weg [ % / mm ] 

- maximal ertragene Last als Zahl [N] 

••• 





••• 

Vermessen und Versuch 

• Einhaltung des Bauraums im Querschnitt 

• Länge des Biegeträgers 

• Gewicht des Biegeträgers 

• 3 Punkt Biegeversuch auf Universalprüfmaschine 


• CLA A13.1 

• 14 15 -14 35 / Gruppe 1 (CFK) 

• 14 35 -14 55 / Gruppe 2 (GFK) 

• 15 15 -15 35 / Gruppe 3 (NFK) 

• 15 35 -15 55 / Gruppe 4 (CFK & NFK) 





Bericht 

Inhalt des Berichts: 


• verwendete Materialien 

• analytische Grobauslegung (Handrechnung) 

• verfeinerte Auslegung mit FEM Berechnung 

• Identifikation & Auslegung von stabilitätskritischen Elementen 

• Fertigung Prototyp Biegeträger 

• Ergebnisse 1. Versuch & Diskussion (Vergleich zu Vorhersagen, ...) 

• Verbesserungen am Träger für den zweiten Versuch 

• Fertigung verbesserter Biegeträger 

• Ergebnisse 2. Versuch & Diskussion (Vergleich zu Vorhersagen, ...) 

• weitere Verbesserungsvorschläge 

• Fertigungskonzept für Serie & Kostenabschätzung 

••• 





••• 

Aufbau des Berichts: 

• Titelblatt mit Titel, Referenznummer, Namen aller Autoren, 

Institution / Veranstaltung (z.B.: ETH Zürich, Bachelor-Studium 

Maschineningenieurwissenschaften, Strukturlabor FS13) und Datum 

• Zusammenfassung (1-2 Seiten) 

• Inhaltsverzeichnis 

• Einleitung 

• Ergebnisse der Untersuchungen & deren Diskussion 

(→ thematisch gegliederte Kapitel) 

• Ausblick 

• Literaturliste 

Format des Berichtes: A4 Hochformat 

alle nicht im Bericht erarbeiteten Angaben und Annahmen mit 

Quellenangabe versehen 



•••



••• 

Literaturstellen richtig zitieren: 

• Artikel aus Zeitschriften: Autor(en), Titel, Zeitschrift, Verlag, 

Jahr, Nummer (Ausgabe), Seitenzahl(en) 

• Bücher: Autor(en), Titel, Verlag, Jahr, ISBN Nummer, 

eventuell Seitenzahl(en) 

formelles: 

• Kopf oder Fusszeile auf jeder Seite mit Seitenzahl, 

Referenznummer, Namen aller Autoren und Datum 

• Abgabe als gedruckte Version (1 Exemplar) und PDF File 




allgemeine Punkte 

Testatbedingungen: 

• aktive Mitarbeit in der Gruppe 

• Teilnahme an Prüfung, Kolloquien und Versuchen 

wenn in einer Gruppe die Teamarbeit nicht klappt, wird sie in 

mehrere Teilgruppen aufgeteilt: 

• per Entscheid der betreuenden Assistenten 

• davor erarbeitete Resultate stehen uneingeschränkt allen 

Teilgruppen zur Verfügung 

• danach anstehende Aufgaben müssen von allen 

Teilgruppen unabhängig von einander und vollständig 

bearbeitet werden 




nächste 

Schritte 

Einteilung der Gruppen 

Einschreiben auf Listen bei Betreuern 

Wertungen BEST GUESS: Student der am genauesten die 

Gewichte der jeweils leichtesten Träger pro Bauweise, die alle 

Anforderungen erfüllen schätzt (Summe der Abweichungen) 

→ die Schätzungen beeinflussen die Note nicht 

Wertung BEST DESIGN: 

Wertung BEST DESIGN: Gruppe deren Träger am exaktesten 

die 7'500 N Maximallast erreicht 



4. Vorjahre 

1. Einleitung 



4. Vorjahre 



4. Vorjahre 

Aufgabe 

Ziel: 10'000 N maximale Last 

Auflagelänge: 500 mm 

Bauraum: 60 mm (hoch) x 100 mm (breit) 

verschiedene Materialien und Bauweisen vorgegeben 



4. Vorjahre 

Strukturlabor 2009 

Bauweise: Aluminium Fachwerk - vernietet 

maximale Last: 10'510 N 

Federkonstante: 1'685 N / mm 

Gewicht: 1'320 g (bei 609 mm Länge) → 2'168 g / m 



4. Vorjahre 


Bauweise: Stahlblech - vernietet 



Gewicht: 2'085 g (bei 582 mm Länge) → 3'583 g / m 



4. Vorjahre 


Bauweise: Holz (Eiche) - verklebt 



Gewicht: 939 g (bei 600 mm Länge) → 1'565 g / m 



4. Vorjahre 


Bauweise: Holz (Eiche) - verklebt 



Gewicht: 395 g (bei 542 mm Länge) → 729 g / m 



4. Vorjahre 


Bauweise: GFK - monolithisch 






4. Vorjahre 


Bauweise: Aluminium - Kastenträger 






4. Vorjahre 








4. Vorjahre 


Bauweise: Holz - monolithisch 






4. Vorjahre 








4. Vorjahre 








4. Vorjahre 




Federkonstante: 1175 N / mm 




4. Vorjahre 








4. Vorjahre 


Bauweise: Holz - monolithisch 






4. Vorjahre 



maximale Last: 10‘727 N 





4. Vorjahre 








4. Vorjahre 


Bauweise: CFK - monolithisch 






4. Vorjahre 


Bauweise: CFK - monolithisch 






4. Vorjahre 


Bauweise: Holz 






4. Vorjahre 


Bauweise: Holz 







vielen Dank 

für Ihre Aufmerksamkeit

Strukturlabor -- HS 2013 - ETH Zürich

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