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Bauingenieur - Ausgabe 9-2011, S. 381-389

Membranstrukturen mit nicht-linearem anisotropem Materialverhalten – Aspekte der Materialprüfung und der numerischen Simulation

Derzeitig basiert die Bemessung von Textilmembranstrukturen auf der starken Vereinfachung eines linear elastischen Materialverhaltens mit unterschiedlichen Elastizitätsmoduln in Kett- und Schussrichtung. In diesem Beitrag wird anhand von Vergleichen mit experimentellen Ergebnissen gezeigt, dass diese Annahme für bestimmte Belastungssituationen unzureichend ist. Eine Materialbeschreibung im Rahmen der allgemeinen Kontinuumsmechanik bietet die Möglichkeit einer genaueren Abbildung der nicht-linearen und anisotropen Materialeigenschaften. Dazu wird hier ein hyperelastisches Modell unter Vernachlässigung der visko-elastoplastischen Eigenschaften vorgeschlagen, welches den eingespielten Gebrauchszustand unter Berücksichtigung der Nichtlinearität des Materials approximiert. Ferner wird eine Finite-Element Formulierung auf Grundlage einer Schalentheorie angegeben, die für die Simulation der durch ein solches Modell beschriebenen Textilmembran geeignet ist. In einem numerischen Beispiel wird die Möglichkeit solcher Simulationen und das Potential für die Konstruktion von Membrantragwerken durch Ausnutzung optimaler Anordnungen der Kett- und Schussrichtung aufgezeigt.

Membrane Structures with a Nonlinear Anisotropic Material Behavior – Aspects of Material Testing and Numerical Simulation

Nowadays, the design of textile membrane structures is based on the strong simplification of a linear elastic material behaviour with different elasticity moduli in warp- and weft-direction. In this contribution it is shown by comparing with experimental data that this assumption is not satisfactory for specific loading situations. A material model formulation in the framework of the continuum mechanics provides the ability of a more accurate description of the nonlinear anisotropic material behavior. Therefore, a hyperelastic model neglecting visco-elastoplastic properties is proposed for the steady-state situation taking into account the nonlinearity of the material response. In addition to that, a finite element formulation based on a shell theory is provided which enables simulations making use of the proposed material model. A numerical example shows the possibilities of such simulations and the potential for the construction of textile membrane structures by exploiting an optimal arrangement of the warp- and weft-directions.

Autor(en):
Schröder, J.; Balzani, D.; Stranghöner, N.; Uhlemann, J.; Gruttmann, F.; Saxe, K.

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