Lokales Beulen schubweicher Faserverbund-Träger mit unsymmetrisch laminierten Gurten und Stegen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Mittelstedt
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421986570

Strukturen in Faserverbundbauweise finden in den verschiedensten Sparten des Ingenieurwesens Verwendung, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau, seit einigen Jahren aber auch im konstruktiven Ingenieurbau. Hierbei haben sich Laminatstrukturen aufgrund ihrer überlegenen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit vor allem für Leichtbauanwendungen bewährt. Meist kommen Laminate als anisotrope Mehrschichtenverbunde mit unidirektional faserverstärkten Einzelschichten vor, beispielsweise unter Verwendung von Kohlenstoff- oder Glasfasern in einer Kunststoffmatrix.Wendet man sich Anwendungen im Bauingenieurwesen zu, so sind die verbreitetsten Strukturele-mente prismatische Träger unter Längs- und Querbelastung. Diese sind aufgrund ihrer Schlankheit auch hinsichtlich ihres Stabilitätsverhaltens nachzuweisen, wobei hier neben globalen Stabilitäts-fällen (Biegeknicken, Biegedrillknicken, Kippen) auch lokale Beulanalysen durchzuführen sind. Das geplante Vorhaben ist dem letzteren Themenfeld gewidmet, wobei hier das lokale Beulverhalten der Segmente von Trägern in Faserverbund-Laminat-Bauweise untersucht werden soll, also das lokale Beulen von Gurten und Stegen dünnwandiger Profilquerschnitte.Das lokale Beulverhalten von Faserverbund-Trägern soll durch diskrete Plattenanalysen untersucht werden, also dem separaten Betrachten von Gurten und Stegen unter Berücksichtigung elastischer Einspannsteifigkeiten an denjenigen Stellen, an denen benachbarte Segmente aufeinandertreffen. Neben rein geschlossen-analytischen Näherungslösungen mittels des Rayleigh-Quotienten, basierend auf geeigneten Ansätzen für alle Beulfreiheitsgrade, werden ganze Reihenentwicklungen für diese Freiheitsgrade auf eine effiziente Formulierung des Ritz-Verfahrens führen, mit deren Hilfe sich schubweiche und unsymmetrische Laminate untersuchen lassen. Insbesondere die Beurteilung des Einflusses der Auswirkungen transversaler Schubverformungen und laminattypischer Koppeleffekte wie Biege-Drill-Kopplung und Biege-Dehn-Kopplung sind bezüglich der Stabilität von Faserverbund-Trägern bislang noch gar nicht untersucht worden, so dass hier ein erheblicher Forschungsbedarf besteht und wesentliche Erkenntnisgewinne erwartet werden. Nachdem Mittel und Methoden für die lokale Stabilitätsanalyse von Faserverbund-Trägern bereit-gestellt wurden, soll das Beulproblem zu einem Optimierungsproblem gemacht und mit den Me-thoden der nichtlinearen Optimierung systematisch möglichst beulresistente Trägerentwürfe ermittelt werden. Es wird erwartet, dass sich hier ganz neue Erkenntnisse für die Auslegung solcher Strukturen ermitteln lassen, was für die praktische Anwendung im Bauingenieurwesen von großer Bedeutung ist. Sämtliche Methoden und Ergebnisse sind am Ende durch Experimente in den institutseigenen Laboreinrichtungen des Antragstellers zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen