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Das Verhalten hybrider Tragstrukturen unter Einfluss der Variation der System- und Materialsteifigkeiten

Dietz, Markus :
Das Verhalten hybrider Tragstrukturen unter Einfluss der Variation der System- und Materialsteifigkeiten.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Das Verhalten hybrider Tragstrukturen unter Einfluss der Variation der System- und Materialsteifigkeiten
Language: German
Abstract:

Gegenstand der Arbeit „Das Verhalten hybrider Tragstrukturen unter Einfluss der Variation der System- und Materialsteifigkeiten“ ist die Untersuchung des Verhaltens hybrider Tragstrukturen und die Erstellung geeigneter Entwurfsdiagramme und -formeln, welche dem Tragwerksentwerfer anhand definierter Kriterien das Finden einer für die jeweilige Aufgabe optimalen Hybridstruktur ermöglichen. Der Begriff hybride Tragstruktur bezeichnet in der vorliegenden Arbeit die Kombination von mindestens zwei für sich alleine tragfähigen Systemen unterschiedlicher Lastabtragscharakteristik. Ziel der Arbeit ist das Aufzeigen der Möglichkeit durch die Koppelung dieser in ihrer Lastabtragscharakteristik unterschiedlichen Systeme, ein anpassungsfähiges Hybridsystem zu bilden. In dieser Arbeit wird der unterspannte Träger mit dem Ziel untersucht, das Verhalten der Hybridstruktur durch die Einzelsystemsteifigkeiten so zu steuern, dass sich die stark unterschiedlichen Systeme Biegeträger und Seil für die jeweilige Aufgabe sinnvoll ergänzen. Zur Untersuchung des Verhaltens der Hybridstruktur wird in Kapitel 1 der Arbeit eine Parameterstudie durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchung werden die Parameter Spannweite, Geometrie der Unterspannung, Biegeträgersteifigkeit, Seildehnsteifigkeit und Belastung variiert. Es wird das Verformungs- und das Tragverhalten der Hybridsysteme unter konstanter, antimetrischer und ansteigender Last betrachtet. Das Verhalten wird in Bezug auf den Lastanteil des Seils dargestellt, damit ist das Beurteilungskriterium für die von den Einzelsystemsteifigkeiten bestimmte Lastabtragscharakteristik des Systems definiert. In Kapitel zwei werden Entwurfskriterien für die Auswahl gegeigneter Hybridsysteme definiert und in Diagrammen dargestellt. Das Kriterium Lastanteil des Seils, zur Beurteilung des Verhaltens der hybriden Tragstruktur ist auf der Ordinate der Entwurfsdiagramme aufgetragen und bildet eine Grundlage für die in Kapitel zwei dargestellten Entwurfsdiagramme. Eine weitere Grundlage sind die Systemtraglasten, welche als Eingangsparameter direkt in die Diagramme einfließen. Die Steifigkeit der Hybridsysteme findet ihren Eingang in die Diagramme über die zulässigen Systemdurchbiegungen, welche als prozentualer Wert zur zulässigen Verformung des Tragwerks über der Systemtraglast aufgetragen sind. Weitere Kriterien sind die Effizienz des Tragwerks, das Gewicht der Konstruktion und die Transparenz der Hybridstruktur. Im Sinne des Leichtbaus ist eine Tragstruktur effizient, wenn das eingesetzte Material in hohem Maße am Lastabtrag beteiligt ist. Der in den Diagrammen dargestellte Effizienzbereich zeigt die Auslastung der Querschnitte des Seils und des Biegeträgers. Die Kriterien Gewicht, im Hinblick auf einen sparsamen Resourceneinsatz ein allgemeingültiges Kriterium, und Transparenz sind als Kurven über der Systemtraglast aufgetragen. In den Diagrammen sind Kurven mit konstanter Trägersteifigkeit EI abgebildet. Aufgrund der großen Bandbreite ist es möglich, für beliebige Querschnitte und Materialien anhand der Diagramme Hybridsysteme nach definierten Kriterien und eigener Gewichtung auszuwählen. In Kapitel drei sind einfache Überschlagsformeln für die Berechnung der Hybridstrukturen hergeleitet, die es ermöglichen im Rahmen der Entwurfsplanung ein für die Aufgabe optimiertes Tragwerk zu planen. Die Anwendung der Diagramme im Zusammenspiel mit den Entwurfsformeln wird anhand der Beispiele in Kapitel vier gezeigt. Die Diagramme sind im Zusammenhang mit den Untersuchungen in Kapitel eins und den Überschlagsformeln aus Kapitel drei ein anschauliches, leicht anzuwendendes Instrumentarium für den entwerfenden Tragwerksplaner, das es ermöglicht, ein für die jeweilige Aufgabe optimal angepasstes Hybridsystem zu finden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Subject of the dissertation „The behaviour of hybrid structures considering the influence of system and material stiffness “ is the analysis of the behaviour of hybrid structures and the compilation of applicable design diagrams and formulas that enable the structural engineer to find an optimal hybrid structure on the basis of defined design criteria for a certain application. In this work the term hybrid structure characterises the combination of minimum two structural systems with unequal load bearing characteristics that are each capable of bearing the loads by themselves. A main focus of this study is to identify the potential of adaptable hybrid structures by coupling these different structural systems with varying characteristics. This dissertation aims to analyse composite trusses with tension tie cables in order to control the behaviour of the hybrid structure by modifying the stiffness of the individual structural systems so that the two differing systems beam and cable sensibly complement one another. For the purpose of research the behaviour of the hybrid structure a parametric study is conducted in chapter 1. The study includes the following parameters: the truss span, the cable geometry, the flexural stiffness of the beam, the extensional stiffness of the cable and the loading. The displacement behaviour and load bearing characteristics of the hybrid systems are observed under increasing balanced and unbalanced loading. The behaviour is described in reference to the load participation of the cable which defines the assessment criterion for the load bearing characteristic that is affected by the stiffness of the individual structural systems. In chapter 2 design criteria for the selection of appropriate hybrid structures are defined and displayed in various diagrams. For the evaluation of the behaviour of the hybrid structures the criterion load participation of the cable is illustrated as the ordinate of the design diagrams. It is the basis for the diagrams described in chapter 2. Another basis is the bearing load of the systems which is an input parameter for the diagrams. The stiffness of the hybrid structures finds its way into the diagrams by regarding the allowable displacement of the system. It is displayed as the percentage of the allowable deflection of the structure over the bearing load of the system. Further criteria are the efficiency of the structure, the weight of the construction and the transparency of the hybrid structure. In terms of light weight construction a bearing structure is efficient if the used material participates in carrying the imposed loads to a great extent. The area of efficiency that is shown in the diagrams illustrates the degree of capacity utilisation of the cable and beam section. The criteria weight and transparency are displayed over the bearing load of the system. The weight of the structure is a generally accepted criterion for an economical resource management. The diagrams illustrate curves with the constant beam stiffness EI. Due to the great range of examined systems it is possible to select a hybrid structure by utilising the diagrams according to defined and weighted criteria for any cross section or material. In chapter 3 simple equations for an approximate calculation of the hybrid structures are derived. These equations enable the structural engineer in the preliminary design phase to design an optimised bearing structure for a certain application. In chapter 4 the application of the design diagrams in conjunction with the formulas is illustrated with several design examples. The diagrams in addition to the analysis in the first chapter and the equations in chapter 3 are a descriptive instrument for the structural engineer that is easy to apply. This tool enables the designing engineer in an optimal way to find an adapted hybrid structure for a certain application.English
Publisher: TU Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Architektur > Fachgruppe C: Konstruktion und Technik
Date Deposited: 24 Nov 2008 08:02
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11806
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Weischede, Prof. Dr.- Dietger and Eisele, Prof. Dipl Jo
Refereed: 29 October 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1180
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