Experiments and fundamental studies on the buckling behavior of closely-spaced ring-stiffened circular cylindrical shells under axial pressure
Final Report Abstract
In diesem Forschungsvorhaben wurden experimentellen Untersuchungen an eng ringversteiften und unversteiften Kreiszylinderschalen unter Axialdruck durchgeführt. Die Versuchsanlage sowie ein Messsystem zur Erkennung der geometrischen Imperfektion und der Lastimperfektion sowie zur Erfassung des Beulverhaltens wurden fertiggestellt. Vor dem Versuch wurden geometrische Imperfektionen der Versuchskörpern mit einem 3D-Laserscanner gemessen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Ringsteifen aus Flachstahl 8 mm x 8 mm mit einem Abstand von der zweifachen Beulwellenlänge die Traglast der Kreiszylinderschalen im Vergleich zum unversteiften Schalen um ca. 1,5-fache erhöhen. Wenn eine noch engere Anordnung der Ringsteifen gewählt wird, kann die Traglast auf mehr als das 2,5-fache ansteigen. In diesem Projekt wurde der Einfluss von Ringsteifen auf Tragfähigkeit der Kreiszylinderschalen unter Axialdruck mittels numerischer Verfahren unter Verwendung eines kommerziellen FE-Programms analysiert. Die im 3D-Scan ermittelte reale geometrische Imperfektion, wurde definiert durch ein abstandsgewichtetes Interpolationsverfahren, welches mithilfe eines geschriebenen Algorithmus automatisch in das numerische Modell eingegeben wurde. Um die Genauigkeit der Berechnung zu verbessern und die Verwendung ressourcenintensiver dynamischer Methoden zu vermeiden, wurde die N-R-Methode mit begleitender Eigenwertanalyse für die Traglast-Analyse verwendet. Außerdem wurde - aufbauend auf zahlreichen numerischen Berechnungen - ein Handrechenmodell entwickelt. Dieses Modell erlaubt eine einfache Ausnutzung der traglaststeigernden Wirkung der Ringsteifen durch den Verstärkungsfaktor für den spannungsbasierten Nachweis, und ermöglicht Beulwiderstände sicher und wirtschaftlicher vorherzusagen. (1) Mithilfe der tatsächlichen geometrischen Imperfektionen können die experimentellen Ergebnisse unter Verwendung der numerischen Methode sehr genau nachberechnet und das Auftreten der Beule simuliert werden. (2) Die numerischen Berechnungen mit unterschiedlichen Parametern zeigten, dass mit größerem r/t- Verhältnis die Ringsteifen einen stärkeren traglaststeigernden Einfluss auf das Beulverhalten und auf einen zunehmenden Verstärkungsfaktor der Ringsteifen haben. (3) Mit engem Abstand der Ringsteifen haben die ringversteiften Kreiszylinderschalen einen signifikanten traglaststeigernden Einfluss. Wenn der bezogene Steifenabstand größer als zwei ist, wird der Verstärkungsfaktor der Ringsteifen schnell reduziert. (4) Das entwickelte Ingenieurmodell kann den traglaststeigernden Einfluss schnell berücksichtigen. Es ist jedoch konservativ im Vergleich zu den numerischen Ergebnissen. Obwohl das vorgeschlagene Handrechenmodell den positiven Einfluss der Ringsteifen schnell berechnen kann, muss es durch genauere und wirtschaftlichere Ergebnisse mit numerischen Verfahren mittels GMNIA überprüft werden. Es wäre erstrebenswert, dass die Erkenntnisse über den traglaststeigernden Einfluss von Ringsteifen und das entwickelte Ingenieurmodell auf kombinierte und komplexere Beulfälle der Kreiszylinderschalen erweitert werden kann.
Publications
- Axial buckling behavior of welded ring-stiffened shells. Stability and Ductility of Steel Structures 2019 – Wald & Jandera (Eds), 2019 Czech Technical University in Prague, Czech Republic, S. 556-563
A. Jäger-Cañás, Z. Li, H. Pasternak
- Considering realistic weld imperfections in load bearing capacity calculations of ring-stiffened shells using the analytical numerical hybrid model, Stability and Ductility of Steel Structures 2019 – Wald & Jandera (Eds), 2019 Czech Technical University in Prague, Czech Republic, S. 882-889
H. Pasternak, Z. Li, C. Stapelfeld, B. Launert, & A. Jäger-Cañás
- Investigation of the buckling behaviour of ring-stiffened cylindrical shells under axial pressure, in: Eurosteel 2021-The 9th Eur. Conf. Steel Compos. Struct., Sheffield, 2021
H. Pasternak, Z. Li, A. Jäger-Cañás
(See online at https://doi.org/10.1002/cepa.1526) - On the resistance of arbitrarily ring-stiffened welded bins subject t axial compression, in: Eurosteel 2021-The 9th Eur. Conf. Steel Compos. Struct., Sheffield, 2021
A. Jäger-Cañás, Z. Li, H.Pasternak, A.Taras
(See online at https://doi.org/10.1002/cepa.1484)
