Beitrag zur numerischen und experimentellen Untersuchung von liegenden, sattelgelagerten Zylinderschalen unter vertikaler dynamischer Belastung

Zimmermann, Thomas; Güldenpfennig, Jürgen

doi:HT013704367

Beitrag zur numerischen und experimentellen Untersuchung von liegenden, sattelgelagerten Zylinderschalen unter vertikaler dynamischer Belastung

Zimmermann, Thomas (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Zimmermann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

Umfang179 S. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Güldenpfennig, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-05-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5845
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61374/files/Zimmermann_Thomas.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zylinderschale (Genormte SW) ; Sattellager (Genormte SW) ; Dynamische Belastung (Genormte SW) ; Vertikale Belastung (Genormte SW) ; Bemessung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Behälter (frei) ; Tankbehälter (frei) ; Sattellager (frei) ; Tekscan (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Tragverhalten von liegenden, sattelgelagerten Zylinderschale ist seit langer Zeit Gegenstand von zahlreichen Forschungsarbeiten. Für die dynamische Belastung dieser Tragwerke sind bis heute nur wenige theoretische und keinerlei experimentelle Untersuchungen bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zur Bemessung liegender, sattelgelagerter Zylinderschalen unter vertikaler dynamischer Belastung geleistet. Hierbei wird besonderes Augenmerk auf die einfache Handhabung für praktische Zwecke gerichtet. Bei den numerischen Berechungen wird auf Grundlage der Finiten-Elementen-Methode (FEM) mit Hilfe von 4-Knoten Schalenelementen nach der diskreten Kirchhoff'schen Theorie ein Modell zur Simulation der vertikalen Schwingung liegender Flüssigkeitsbehälter generiert. Der Kontakt zwischen Sattel und Zylinderschale wird durch Fachwerkstäbe simuliert, denen für Stauchungen ein linear-elastisches Materialverhalten zugewiesen wird, während bei Dehnungen der Elastizitätsmodul zu Null gesetzt wird. Hierdurch kann das lokale Abheben der Zylinderschale vom Sattel simuliert werden. Eine zusätzliche Vereinfachung des Modells ist die Berechnung des Flüssigkeitsdrucks aus der Fußpunktbeschleunigung des schwingenden Behälters. Zur Validierung des FEM-Modells werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals experimentelle Untersuchungen an der liegenden, sattelgelagerten Zylinderschale durchgeführt. Zur Messung der Auflagerpressung zwischen Sattel und Zylinderschale kommt das Foliendruck-Messsystem der Fa. Tekscan, Boston MA, USA zum Einsatz. Obschon das Messsystem für verschiedene Bereiche in Forschung und Produktion eingesetzt wird, ist bis heute keine systematische Untersuchung des Messsystems bekannt. Daher wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit das Funktionsprinzip des Foliendruck-Messsystems ausführlich beschrieben und die Fehlereinflüsse und Messgenauigkeiten systematisch analysiert. Hierbei wird die Messgenauigkeit für verschiedene Kalibrationslasten und -flächen, unterschiedliche Oberflächenmaterialien, Temperaturänderungen, dynamische Belastung unterschiedlicher Frequenzen, Schereffekte der Trägerfolien und die zeitliche Drift untersucht und quantitativ angegeben. Für die experimentellen Untersuchungen der liegenden Zylinderschale wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Versuchsaufbau entwickelt der die vertikale Schwingung des Versuchsbehälters erlaubt. In den Hauptversuchen dieser Arbeit werden der Füllgrad, die Sattelstellung, der Sattelwinkel, die Elastizität einer Zwischenlage zwischen Sattel und Zylinderschale und die Erregerfrequenz variiert. Der Verformungs- und Verzerrungszustand wird an 60 Messpunkten gemessen, die Auflagerpressungsverteilung mit dem Foliendruck-Messsystem. Mit dem FEM-Modell werden die experimentellen Ergebnisse überprüft und erweitert, sowie weitere Schalen- und Sattelparameter, wie z.B. die Schalenlänge, der Schalenradius, die Schalendicke usw. untersucht. Um die Abhängigkeit der numerischen Ergebnisse von den verschiedenen Schalen- und Sattelparametern darzustellen, wird in jeder Berechnungsreihe nur ein Parameter variiert und die anderen festgehalten. Die numerischen Ergebnisse werden auf den Eingangsparameter Schalenradius normiert. Hieraus wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Schwingbeiwert entwickelt, der als Produkt aus drei Schwingteilbeiwerten grafisch ermittelt werden kann. Mit der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine systematische experimentelle und numerische Untersuchung der liegenden, sattelgelagerten Zylinderschale unter vertikaler dynamischer Belastung vorgestellt, wobei auch das eingesetzte Foliendruck-Messsystem erstmals systematisch auf seine Fehlereinflüsse und Messgenauigkeiten untersucht wurde. Durch die in der vorliegenden Arbeit entwickelten Schwingbeiwerte ist für die Praxis eine schnelle und kostengünstige Bemessung von liegenden, kreiszylindrischen Zylinderschalen unter vertikaler dynamischer Belastung möglich.

The static behavior of horizontal, saddle supported cylindrical shells is the subject of numerous research works since long time. For the dynamic load of these tanks only few theoretical and no experimental examinations are known to this day. In the present work a contribution to the calculation of horizontal, saddle supported cylindrical shells under vertical dynamic load is performed. In this connection, special attention is directed upon the simple manipulation for practical purposes. For the numeric calculation a model is generated on basis of the finite-element-method (FEM) with 4-node shell elements after the discreet Kirchhoff'schen theory for the simulation of the vertical oscillation of lying liquid tanks. The contact between saddle and cylindrical shell is simulated by framework beams to which for pressure a linear-elastic material behavior is assigned, while with strains the Young's-module is set to zero. Through here the local take off of the cylindrical shell of the saddle can be simulated. An additional simplification of the model is the calculation of the liquid pressure from the toe acceleration of the oscillating tank. To confirm the FEM model experimental examinations of horizontal, saddle supported cylindrical shells are executed in the present work for the first time. To measure the pressure between saddle and cylinder shells the Tekscan measurement system is used. Although the measuring system is used in different areas at research and production, no systematic examination of the measuring system is known to this day. Therefore, the functional principle of the measurement system is described in detail and the mistake influences and measuring accuracies are analyzed systematically for the first time in the present work. In this connection, the measuring accuracy is examined for different calibration loads and areas, different surface materials, temperature changes, dynamic load of different frequency, shear effects of folios and the temporal drift and indicated quantitatively. For the experimental examinations of horizontal, saddle supported cylindrical shells a experimental plant is developed in the present work, so the vertical dynamic oscillation of the vessel is possible. In the main attempts of this work the filling degree, the saddle position, the saddle angle, the elasticity of an interposition between saddle and cylinder shell and the exciter frequency are varied. The displacement and strain condition of the vessel was measured at 60 measuring points, the support pressure distribution was measured with the Tekscan measurement system. With the FEM model the experimental results are checked and extended, as well as other shell and saddle parameters, as for example the shell length, the shell radius, the shell thickness etc. are examine. To represent the dependence of the numeric results of the different shell and saddle parameters, only one parameter is varied in every calculation series and the others are held. The numeric results are standardized on the parameter shell radius. A dynamic factor is developed in the present work which can be determined as a product from three partials dynamic factors diagrammatically. With the present work a systematic experimental and numeric examination of the horizontal, saddle supported cylindrical shell under vertical dynamic load is presented for the first time and also the used Tekscan measurement system was examined for the first time systematically for its mistake influences and measuring accuracies. The dynamic factor developed in the present work supply for the first time calculation indications for practical purposes which allow a fast, reasonable calculation of horizontal, saddle supported cylindrical shells under vertical dynamic load.

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