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Tragverhalten einzelliger Hohlkastenträger unter Biegung und Torsion
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- Titel
- Tragverhalten einzelliger Hohlkastenträger unter Biegung und Torsion
- Autor/in
- Datierung
- 22.01.2021
- Beschreibung
- Je nach Laststellung wirkt auf einzellige Hohlkastenträger eine kombinierte Beanspruchung aus Biegung und
Torsion, deren Auswirkungen auf das räumliche Tragverhalten nicht umfassend geklärt sind. Anhand nicht
linearer Finite-Element-Analysen (nlFE-Analysen) sowie linearer Finite-Element-Analysen (FE-Analysen)
soll das Tragverhalten einzelliger Hohlkastenträger analysiert und ein Verständnis für das räumliche
Zusammenspiel von Biegung und Torsion gegeben werden.
Im zweiten Kapitel werden grundlegende Annahmen für die Finite-Element-Analysen getroffen. Nebst der
Wahl der Werkstoffbeziehungen wird der einzellige Hohlkastenträger sowohl in seiner Geometrie als auch
betreffend gewählter Bewehrung definiert. Die nicht linearen Finite-Element-Analysen (nlFE-Analysen)
basieren auf einem von Prof. Dr. Karel Thoma entwickelten "User Defined Material". Im Weiteren wird die
Modellbildung für die Finite-Element-Analysen erläutert.
Im dritten Kapitel werden die Beobachtungen sowohl aus den nicht linearen Finite-Element-Analysen (nlFEAnalysen)
als auch aus den linearen Finite-Element-Analysen (FE-Analysen) festgehalten. Die Analysen
erfolgen an je sechs Lastfällen, wobei je drei Lastfälle aus vertikal einwirkende Einzellasten und je drei aus
vertikal einwirkende Linienlasten bestehen. Allen Lastfällen ist ausserdem eine horizontale Drucknormalkraft
aufgezwungen. Der Lastfall Biegung mit Normalkraft durch symmetrische Belastung besteht aus einer zur
Trägerschwerachse symmetrischen Belastung, sodass am Stabmodell keine Torsionsschnittkräfte entstehen.
Eine zur Trägerschwerachse symmetrische, aber mit einer entgegengesetzten Wirkungsrichtung, vertikal
angreifende Belastung definiert den Lastfall Torsion mit Normalkraft durch antisymmetrische Belastung.
Dadurch entstehen am Stabmodell keine Längsbiegemomente und keine Querkräfte. Der Lastfall Biegung,
Torsion und Normalkraft durch einseitige Belastung ist dadurch charakterisiert, dass ausschliesslich einer der
beiden Stege eine vertikale Belastung erfährt. Am Stabmodell resultiert dadurch eine kombinierte
Beanspruchung aus Biegung und Torsion.
Im vierten Kapitel werden die Beobachtungen aus den verschiedenen Finite-Element-Analysearten sowie aus
den sechs verschiedenen Laststellungen miteinander verknüpft und daraus Theorien zum Tragverhalten
abgeleitet. Ausserdem werden für das beobachtet Tragverhalten konstruktive Grundsätze für die
Bewehrungsführung erörtert. Schlussendlich wird eine Interaktionsbeziehung bzw. Fliessfigur mit einem
Lastfall aus der nicht linearen Finiten-Element-Analyse verglichen. Abschliessend werden im fünften Kapitel die erworbenen Erkenntnisse zusammengefasst und Folgerungen
für das Tragverhalten einzelliger Hohlkastenträger unter Biegung und Torsion zusammengetragen. Ein
Ausblick für weiterführende Untersuchungen rundet diese Masterthesis ab.
Single-cell box girders are usually exposed to a combination of normal and shear forces, as well as bending
and torsional moments, depending on the load and its position. The three-dimensional load-bearing behavior
due to a combined load of bending and torsion has not been comprehensively clarified. A nonlinear finite
element analysis (nlFE) as well as a linear finite element analysis (FE) are used to analyze the load-bearing
behavior of single-cell box girders and to understand the three-dimensional interaction of bending and
torsion.
In the second chapter, basic assumptions for the finite element analysis are made. Besides the choice of
material relations, the geometry of the single-cell box girder is defined. Furthermore, the selected
reinforcement layout is specified. The nonlinear finite element analysis (nlFE) are based on a "User Defined
Material" developed by Prof. Dr. Karel Thoma.
In the third chapter, the observations from the nonlinear finite element analysis (nlFE) and the linear finite
element analysis (FE analysis) are presented based on six different load cases. Three of the load cases consist
of vertically applied single loads and three of vertically applied distributed loads. In addition, a horizontal
pressure normal force is applied to all load cases. The load case bending with normal force due to
symmetrical load consists of a load symmetrical to the axis of the beam. Thus, no torsional stress results on
the beam model. A vertically applied load that is symmetrical to the axis of the beam, but with an opposite
direction of force, defines the load case torsion with normal force due to antisymmetric load. As a result, no
longitudinal bending moments and no shear forces arise. The load case bending, torsion and normal force due
to one-sided loading is characterized by the fact that only one of the two webs will be loaded vertically. This
load position causes a combined stress from bending and torsion.
In the fourth chapter, the observations from the different finite element analysis types as well as from the six
different load cases are linked and theories on the load-bearing behavior are derived from them. Furthermore,
design principles for reinforcement are discussed for the observed load-bearing behavior. At last, an
interaction relation is compared with a load case from nonlinear finite element analysis.
To conclude, the fifth chapter summarizes the knowledge gained and presents conclusions for the loadbearing
behavior of single-cell box girders under bending and torsion. An overview for further investigations
completes this master thesis.
- Je nach Laststellung wirkt auf einzellige Hohlkastenträger eine kombinierte Beanspruchung aus Biegung und
- Urheberrechtshinweis
- Hungerbühler René, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 23.06.2021
- Übergeordnete Sets
- 1
Direkter und indirekter ökologischer Aufwand eines Gebäudes während seiner Lebensdauer
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- Titel
- Direkter und indirekter ökologischer Aufwand eines Gebäudes während seiner Lebensdauer
- Autor/in
- Datierung
- 24.01.2020
- Beschreibung
- Diese Masterarbeit beinhaltet eine Ökobilanz eines typischen Mehrfamilienhauses im Schweizer Mittelland.
Über eine Lebenszyklusanalyse wird der indirekte ökologischen Aufwand des Gebäudes über seine
Lebensdauer quantifiziert. Mittels einer Gebäudesimulation wird der Betriebsenergiebedarf des Hauses
ermittelt. Verschiedene Energieerzeuger werden zur Deckung dieses Bedarfs eingesetzt und deren Einfluss
auf den direkten ökologischen Aufwand untersucht. Schlussendlich soll beantwortet werden, ob aus
ökologischer Sicht ein Ersatzneubau oder eine Sanierung des bestehenden Gebäudes favorisiert werden soll
und mit welchen Massnahmen der totale ökologische Aufwand eines Gebäudes minimiert werden kann. In
den Resultaten wird der Sanierungsfall mit einem Neubau in Holz- und Massivbauweise verglichen. Der
ökologische Aufwand der Varianten wird durch die Umweltindikatoren Primärenergie (nicht erneuerbar),
Treibhausgaspotential und Umweltbelastungspunkte dargestellt.
This master thesis consists of a life cycle assessment of a typical apartment building in the Swiss midlands. A
life cycle analysis is used to quantify the indirect ecological expenditure of the building over its lifetime. By
means of a software simulation the energy demand to operate the house is determined. Different heating
systems are used to cover this demand and their influence on the direct ecological expenditure is examined.
In conclusion it is shown whether from an ecological point of view a new replacement building or a
renovation of the existing building should be favoured and with which measures the total ecological
expenditure of a building can be minimised. In the results, the refurbishment case is compared with a new
building in timber and solid construction. The ecological expenditure is represented by the environmental
indicators primary energy (non-renewable), greenhouse gas potential and environmental impact points.
- Diese Masterarbeit beinhaltet eine Ökobilanz eines typischen Mehrfamilienhauses im Schweizer Mittelland.
- Urheberrechtshinweis
- Merz Rebekka, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 29.04.2020
- Übergeordnete Sets
- 1
Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
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- Titel
- Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
- Autor/in
- Datierung
- 22.10.2019
- Beschreibung
- Partikeldämpfer sind ein wirtschaftliches und effektives Konzept für die passive Reduzierung von
mechanischen Schwingungen über einen grossen Frequenzbereich. Mit dem additiven Fertigungsverfahren
können Bauteile mit innen liegenden Pulverkammern hergestellt werden, welche als additiv gefertigte
Partikeldämpfer bezeichnet werden. In bisherigen Untersuchungen von additiv gefertigten Partikeldämpfern
wurde das nicht lineare Dämpfungsverhalten experimentell bestimmt. Das detaillierte dynamische Verhalten
des metallischen Pulvermaterials in der Kavität ist soweit unbekannt.
Das Ziel dieser Masterthesis ist es, zu bestimmen, wie sich eingeschlossenes Pulvermaterial in einem additiv
gefertigten Partikeldämpfer unter dynamischer Belastung verhält. Dazu werden die folgenden
Forschungsfragen gestellt: (i) Wie kann die Energiedissipation von eingeschlossenem Pulvermaterial
charakterisiert werden? (ii) Und wie können davon die wichtigsten Abhängigkeiten für die
Produktentwicklung von additiv gefertigten Partikeldämpfern abgeleitet werden?
Um die Forschungsfragen zu beantworten, wird das dynamische Verhalten des Pulvermaterials Edelstahl CL
20ES in der Kavität mit der Diskrete Elemente Methode modelliert. Die Diskrete Elemente Methode ist ein
numerisches Berechnungsverfahren für die Simulation von Partikelbewegungen und -interaktionen. Durch
das verwendete Pulvermaterial, welches Partikelgrössen im zweistelligen Mikrometerbereich und eine hohe
Partikelanzahl pro Volumeneinheit hat, ist die Untersuchung nur an skalierten Kavitäten im
Millimeterbereich durchzuführen. Die mit Pulvermaterial befüllten Kavitäten werden unter harmonischer
Weganregung belastet. Aus den Reaktionskräften des Pulvermaterials auf die Kavität wird die
Energiedissipation berechnet. Um die wichtigsten Abhängigkeiten zu untersuchen, werden verschiedene
Kavitätsgrössen, Kavitätsformen, Anregungsamplituden und Anregungsfrequenzen untersucht.
Die Untersuchung zeigt, dass eingeschlossenes Pulvermaterial in Kavitäten unter dynamischer Belastung zu
hoher Energiedissipation führt und dadurch ein effektives Konzept für die passive Schwingungsreduktion ist.
Additiv gefertigte Partikeldämpfer haben einen ähnlichen Mechanismus der Energiedissipation wie der Ein-
Partikeldämpfer oder Aufpralldämpfer. Die Energiedissipation entsteht vor allem durch die unelastischen
Stossvorgänge zwischen Partikeln und Kavität. Die Effizienz des Partikeldämpfers wird aber nur erreicht, wenn die Amplitude genügend gross ist. Diese minimal nötige Amplitude ist abhängig vom Partikelfüllstand
in der Kavität und der Grösse der Kavität. Für die Produktentwicklung von additiv gefertigten
Partikeldämpfern kann gesagt werden, (i) dass mehr Pulvermaterial zu mehr Energiedissipation führt, (ii)
dass das Pulvermaterial im Bauteil an der Stelle mit der grössten Auslenkungsamplitude platziert werden soll,
um eine grössere Energiedissipation zu erreichen und (iii) dass die Kavitätslänge in Bewegungsrichtung
einen positiveren Einfluss auf die Energiedissipation als der Kavitätsquerschnitt in Bewegungsrichtung hat.
Particle dampers are a promising approach for passive reduction of vibrations over a wide frequency range.
With additive manufacturing, it is possible to manufacture parts with embedded powder cavities. In previous
investigations of additive manufactured particle dampers, the non-linear damping behavior was determined
experimentally. The dynamic behavior of the metallic powder in the cavity is unknown.
The goal of this thesis is to determine the dynamic behavior of the internal powder in an additive
manufactured particle damper. The research questions are: (i) How can the energy dissipation of powder be
characterized? (ii) And in addition, what are the main dependencies for the product development of additive
manufactured particle dampers?
In this thesis, the dynamic behavior of the stainless steel CL 20ES powder is modeled with the Discrete
Element Method. The Discrete Element Method is a numerical method for simulation of particle motions and
particle interactions. Due to the powder material used, which has particle sizes in the micrometer range and a
high number of particles per volume, it is only possible to perform this investigation on scaled cavities in the
millimeter range. The dynamic behavior of the powder is determined under harmonic base excitation of the
cavity. The calculation of the energy dissipation is based on the reaction forces of the powder on the cavity.
This work examines the influence of different cavity sizes, cavity shapes, excitation amplitudes and
frequencies on the energy dissipation.
The investigation shows that powder in cavities leads to high-energy dissipation under dynamic vibration.
Due to this, it is an effective concept for passive reduction of vibrations. Additive manufactured particle
dampers have a similar mechanism of energy dissipation as single particle impact dampers or vibration
absorbers. The energy dissipation is caused by the inelastic collision between particles and cavity. The
efficiency of the particle damper is only achieved when the excitation amplitude is large enough. The
minimal required amplitude depends on the amount of particles in the cavity and on the cavity size. The
simulation results provide better understanding of the particle damping mechanisms, which may help in the
design of the next generation of additive manufactured particle dampers. It can be said that (i) more powder
leads to more energy dissipation, (ii) the powder should be positioned in the place with maximum amplitude
to achieve greater energy dissipation and (iii) that the cavity length in the direction of movement has a more
positive influence on the energy dissipation than the cross section in the direction of movement.
- Partikeldämpfer sind ein wirtschaftliches und effektives Konzept für die passive Reduzierung von
- Urheberrechtshinweis
- Hauenstein Gian, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 29.04.2020
- Übergeordnete Sets
- 1