Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse von Kreiszylinderschalen unter Axialdruck bezogen auf zufällige geometrische Imperfektionen – Teil 1: Experimente, Simulationen und statistische Analysen

Z. Li, H. Pasternak

Bauingenieur Jahrgang 100 (2025) Heft 03

Publikationsdatum: 06.03.2025

doi.org/10.37544/0005-6650-2025-03-45

Zusammenfassung Zylindrische Schalen aus Stahl sind wegen ihres geringen Gewichts, der günstigen Produktionskosten und des großen Lagerraums sehr beliebt. Aufgrund der starken Empfindlichkeit der dünnwandigen Tragwerkstrukturen müssen jedoch neben der Verwendung einer nichtlinearen theoretischen Analyse auch die geometrischen Imperfektionen (Vorverformungen) der Schale berücksichtigt werden. Die geometrischen Imperfektionen von Zylinderschalen 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. Im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts wurden axiale Druckversuche an Stahlzylinderschalen unterschiedlicher Größen und Werkstoffe durchgeführt. Die Prüfeinrichtungen und Messsysteme zur Untersuchung der geometrischen Imperfektionen und des Beulverhaltens wurden entwickelt und implementiert. Ein 3D-Laserscanner wurde verwendet, um die geometrischen Imperfektionen der zylindrischen Probekörper zu messen. Die Tragfähigkeit unter axialer Spannung von Zylinderschalen wurde durch numerische Methoden mit dem kommerziellen FE-Programm Abaqus untersucht. Durch eine statistische Analyse in Verbindung mit der Maximum-Entropie-Methode wurden die statistischen Eigenschaften der Beullastverteilung für zwei verschiedene Typen von Zylinderschalen ermittelt.

Structural stability and reliability of cylindrical shells under axial compression considering random geometric imperfections – Part 1: Experiments, simulations and statistical analyses

Abstract Cylindrical steel shells are very popular due to their light weight, favourable fabrication costs and huge storage space. However, due to the high sensitivity of cylindrical thin-walled structural elements, it is essential to consider not only nonlinear theoretical analyses but also the geometric imperfections of these containers. Geometric imperfections in cylindrical shells in steel construction are randomly distributed and typically unknown. The „worst-case“ form of geometric imperfections is commonly used for design, but this approach does not accurately describe or quantify the actual imperfections. As part of a DFG research project, axial compression tests were conducted on cylindrical steel shells of different sizes and materials. The test setups and measurement systems for investigating geometric imperfections and buckling behavior were developed and implemented. A 3D laser scanner was used to measure the geometric imperfections of the cylindrical specimens. The load-bearing capacity of cylindrical shells under axial loading was investigated using numerical methods with the commercial FE software Abaqus. Statistical analysis, in conjunction with the maximum entropy method, was used to determine the statistical properties of the buckling load distribution for two different types of cylindrical shells.