Zur Auslegung und Optimierung individuell versteifter Feinblechstrukturen im Bauwesen hinsichtlich Stabilität

Seiter, Alex Josef; Trautz, Martin; Güldenpfennig, Jürgen

doi:HT031288170

Zur Auslegung und Optimierung individuell versteifter Feinblechstrukturen im Bauwesen hinsichtlich Stabilität = For the design and optimization of individually stiffened thin sheet metal structures in structural engineering with regard to stability

Seiter, Alex Josef^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alex Seiter

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Trautz, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Güldenpfennig, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08426
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1019546/files/1019546.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Tragkonstruktionen (211110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Feinblechstrukturen (frei) ; Freiformstrukturen (frei) ; Metallschalen (frei) ; Stabilität (frei) ; Strukturoptimierung (frei) ; free-form structures (frei) ; metal shells (frei) ; sheet metal structures (frei) ; stability (frei) ; structural optimization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Flächentragwerke aus Feinblech, insbesondere in Form von Schalen, bieten ein großes Leichtbaupotential, bei denen die hohe Materialfestigkeit metallischer Werkstoffe voll ausgeschöpft werden kann, solange ein Stabilitätsverlust durch Beulen verhindert wird. Durch gezielte Formgebung auf globaler Ebene, aber auch durch eingeformte lokale Versteifungen, kann der Widerstand gegen Beulen erheblich gesteigert werden. Mit dem Maßstab des Bauwesens tritt aufgrund des Größenverhältnisses einer Gesamtstruktur beispielsweise eines freitragenden Dachs und den kleinen Versteifungen auf lokaler Bauteilebene bei der statisch-konstruktiven Auslegung, die typischerweise mit numerischen Finite-Elemente-Simulationen (FE) erfolgt, ein Mehrskalenproblem auf. Die explizite Modellierung der Versteifungen führt zu einem unverhältnismäßig komplexen FE-Netz und einer zu hohen Anzahl von Elementen. Der Modellierungsaufwand und die Berechnungszeit sind exzessiv. In der folgenden Arbeit werden mit dem Iterative Partial Stiffening Process (IPSP) und dem Explicit Stiffness Determination Process (ESDP) zwei Prozesse entwickelt, die eine einfache Auslegung und Prüfung der Anwendbarkeit zuvor definierter Feinblechsysteme als Konstruktionsprinzip eines Tragwerksentwurf ermöglichen. Die Prozesse erlauben den Verzicht auf eine explizite Geometrieabbildung der Versteifungen, infolgedessen der Modellierungsaufwand und die Berechnungszeit drastisch reduziert werden. Der IPSP zur Ermittlung von erforderlichen Mindestsystemsteifigkeiten: Mit dem Prozess lässt sich für beliebige Flächen eine minimal erforderliche Steifigkeitsverteilung finden, um einen Stabilitätsverlust auszuschließen. Iterativ werden aus der Belastung resultierende Beulformen als Verformungslastfälle aufgebracht. Die betrachtete Fläche wird dazu in Zellen unterteilt, für jede Zelle wird eine erforderliche Steifigkeit ermittelt. Der ESDP zur Bestimmung von vorhandenen Bauteilsteifigkeiten: An Basisgeometrien unterschiedlicher Krümmung wird die Wirkung von versteiften Feinblechsystemen quantifiziert, indem die Beulsteifigkeiten mit identischen aber unversteiften Basisgeometrien ins Verhältnis gesetzt werden. Die Steifigkeiten der unversteiften Systeme werden außerdem im IPSP als Anfangssteifigkeit genutzt. Der Prozess ist für jedes Feinblechsystem nur einmal zu durchlaufen. Die Verknüpfung der beiden Prozesse: Jeder Zelle wird über die Krümmungseigenschaften eine Basisgeometrie zugeordnet und die mit dem IPSP ermittelten Faktoren (Sollwert) mit dem über den ESDP (Istwert) bestimmten Faktoren abgeglichen. Das betrachtete Feinblechsystem eignet sich genau dann als Konstruktionsprinzip, wenn der Sollwert an keiner Stelle unterschritten wird. Die beiden Prozesse werden unter Ansatz unterschiedlicher Parameter an einfachen Scheiben- und Schalengeometrien mit unterschiedlichen Randbedingungen und Diskontinuitäten erprobt. Zum Schluss erfolgt die Verifizierung anhand einer Fallstudie.

Sheet metal structures, especially as shells, offer a high potential for lightweight construction, whose high material strength can be fully utilized as long as a loss of stability due to buckling is prevented. The resistance to buckling can be significantly increased through strategic shaping on a global level, but also through molded-in local stiffeners. With the scale of construction, a multi-scale problem arises due to the size ratio of an overall structure (e.g. roof) and the small stiffeners (local component level) in the static-constructive design using numerical FE simulations. Explicit modeling of the stiffeners simply leads to a disproportionately complex FE mesh and an unacceptably high number of elements. The modeling effort and calculation time are excessive. In the following work, the Iterative Partial Stiffening Process (IPSP) and the Explicit Stiffness Determination Process (ESDP) are developed as two processes that enable a simple design and verification of the applicability of previously defined thin sheet systems (number of layers, type and extent of stiffening) as a construction principle for a structural design. The processes do not require explicit geometry representation of the stiffeners, which drastically reduces the modeling effort and computational costs. The ESDP is only performed once for each sheet metal system, whereas the IPSP depends on the surface under investigation. ESDP to determine existing component stiffnesses: The stiffening effect of stiffened thin sheet metal systems is calculated on base geometries of different curvature by comparing the bending and buckling stiffnesses with identical but unstiffened base geometries. The stiffnesses of the unstiffened systems are also used as the initial stiffness in the IPSP. IPSP to determine the required minimum system stiffnesses: The process can be used to find a minimum required stiffness distribution for any surface in order to rule out a loss of stability. Buckling shapes resulting from the load are used up iteratively as deformation load cases. The resulting intensity of different mechanical stresses is used to adjust the stiffness matrix. The stiffnesses are specified as a factor of the initial stiffness. The area under consideration is divided into cells, for each cell a required stiffness is determined. Evaluation: A basic geometry can be assigned to each cell using a best-fit algorithm. The sheet metal system being considered is suitable as a design principle if the factors determined using the IPSP (target value) do not exceed the factors determined using the ESDP (actual value) in any cell. The two processes are tested using different parameters on simple pane and shell geometries with different boundary conditions and discontinuities. Finally, verification is carried out based on a case study.

OpenAccess:
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