Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse von Kreiszylinderschalen unter Axialdruck basierend auf dem Zufallsfeld für geometrische Imperfektionen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Zheng Li
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454652824

Modernen Behälter, die normalerweise in Form einer zylindrischen Stahlschale aufgebaut sind, erfreuen sich wegen ihrer Leichtgewicht, günstigen Verarbeitbarkeit und riesigem Stauraum größter Beliebtheit. Jedoch, aufgrund der starken Empfindlichkeit der zylindrischen dünnwandigen Tragwerkstrukturen müssen neben der Verwendung einer nichtlinearen theoretischen Analyse auch die geometrischen Imperfektionen der Behälter berücksichtigt werden. Die geometrischen Imperfektionen von Zylinderschalen im Stahlbau sind zufällig verteilt und normalerweise unbekannt. Die „ungünstigste“ Form der geometrischen Imperfektionen wird typischerweise für die Bemessung verwendet, jedoch können die realen geometrischen Imperfektionen auf diese Weise nicht genau beschrieben und quantifiziert werden. Dies kann zu Sicherheitsproblemen von Tank- und Silobauwerken oder sogar zum Kollaps dünnwandiger Schalenstrukturen führen. Hier setzt das anvisierte Projekt an, welches auf die Entwicklung einer Berechnungsmethode für die Traglast von Kreiszylinderschalen abzielt. Mit Hilfe des zu entwickelnden Ansatzes kann die Zufälligkeit der geometrischen Imperfektionen berücksichtigt und die langjährig bestehenden Unterschiede zwischen der theoretischen Analyse und dem Testergebnis beschrieben werden. Die Forschungsziele stützen sich auf die nachfolgende Arbeitshypothese: Die tatsächliche Versuchsprobengeometrie der Kreiszylinderschalen wird dabei durch ein 3D-Laserscanning aufgenommen. Die Zufälligkeit der geometrischen Imperfektionen und die entsprechende räumliche Korrelationsbeziehung werden dann unter Verwendung der statistischen Theorie analysiert. Anschließend werden die statistischen Eigenschaften der experimentellen Tragfähigkeitswerte basierend auf den Ergebnissen von quasistatischen Versuchen unter Axialdruck untersucht. Schließlich werden Parameterstudien mit validierten numerischen Methoden durchgeführt. Dies lässt sich in 4 Arbeitsschwerpunkte zusammenfassen: 1) Basierend auf experimentellen Messungen und theoretischen Analysen wird ein Zufallsfeld für die geometrischen Imperfektionen erstellt; 2) Die statistischen Ergebnisse der Tragfähigkeit und das Beulverhalten der Kreiszylinderschalen werden unter Verwendung der stochastischen Finite-Elemente-Methode abgeleitet und mit experimentellen Ergebnissen verifiziert; 3) Die optimale Verteilungsfunktion der Traglast wird auf der Grundlage des Maximalentropieprinzips angepasst; 4) Der Knockdownfaktor der Tragfähigkeit und Stabilität von Schalen wird mit Hilfe der strukturellen Zuverlässigkeitsanalyse modifiziert. Die erwarteten Ergebnisse des Forschungsprojekts weisen eine hohe wissenschaftliche und bautechnische Bedeutung auf und tragen wesentlich zur Verbesserung der Sicherheit von Tank- und Silobauwerken bei.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen