TY - CHAP A1 - Kern, Alexander A1 - Meppelink, Jan T1 - Neue Möglichkeiten elektrischer Anschlüsse an die Bewehrung und Untersuchung der Wirkung von Blitzströmen in bewehrtem Beton N2 - Im Rahmen eines modernen Blitzschutzsystems für Stahlbeton-Bauten bietet es sich an, die Betonbewehrung zu benutzen: - Sie kann die Funktionen der Ableitungseinrichtungen und des Blitzschutz- Potentialausgleichs bei einem klassischen Gebäude-Blitzschutz übernehmen [1]; - Sie kann, ggf. bei entsprechender Ergänzung, als ein geschlossener Käfig ausgebildet werden und damit eine deutliche Reduzierung der Belastung elektrischer / elektronischer Systeme durch blitzinduzierte elektromagnetische Felder erbringen (LEMP-Schutz [2]). Die Nutzung der Bewehrung ist dabei grundsätzlich gleichermaßen bei Neubauten wie auch bei Ertüchtigungen möglich und sinnvoll. So stellt die Nutzung der Bewehrung beispielsweise im Bereich von Großkraftwerken eine wesentliche Ertüchtigungsmaßnahme für den Blitzschutz elektrischer und elektronischer Einrichtungen dar: - Einerseits wird der Blitzschutz-Potentialausgleich durch den Anschluss metallener Einrichtungen wie Elektronik-Schränke, Kabeltrag-Konstruktionen, Rohrleitungen, etc. an die Bewehrung deutlich verbessert. - Andererseits kann bei größeren Gebäuden die elektromagnetische Schirmwirkung durch die elektrische Überbrückung von vorhandenen Dehnfugen bei Stahlbetonbauten optimiert werden. Diese Dehnfugen sind teilweise nur unzureichend überbrückt, so dass bei Blitzeinschlag in das betreffende oder ein benachbartes Gebäude an Kabelstrecken, die über die Dehnfuge hinwegführen, rel. hohe Spannungen induziert werden können [2, 3]. Die sich um das gesamte Gebäude herumziehende oder zwischen zwei Gebäuden befindliche Dehnfuge muss deshalb im Abstand von maximal einigen Metern überbrückt werden. Im Falle von Blitzschutz-Ertüchtigungen in vorhandenen Gebäuden wird bisher an jeder geplanten Anschlussstelle die Bewehrung großflächig (∅ wenige 10 cm) freigelegt, dort ein elektrischer Anschluss zu dem Bewehrungsstab hergestellt, z.B. mittels eines Erdungsfestpunkts, und dann die Betonoberfläche wieder geschlossen. Je nach prognostizierter Strombelastung wird teilweise versucht, den über den Anschluss fließenden Strom bereits auf mehrere Bewehrungsstäbe zu verteilen. Dazu sind entweder die kreuzenden Stäbe zu verschweißen oder es sind direkt Anschlüsse an zwei Bewehrungsstäbe herzustellen. All dieses bedeutet einen hohen Aufwand bei der Freilegung der Bewehrung und auch wieder bei der Schließung der entstandenen Betonlöcher. Es soll deshalb hier untersucht werden, ob es beispielsweise zum Zwecke des Blitzschutz-Potentialausgleichs und auch zur Überbrückung von Dehnfugen ausreichend ist, den Anschluss an die Bewehrung nach einfachen Verfahren nur jeweils an einen Bewehrungsstab herzustellen. Damit würde der finanzielle und administrative Aufwand an Betonarbeiten deutlich reduziert. Die hier dargestellten Verfahren sind dabei insbesondere für den Einsatz bei Blitzschutz-Ertüchtigungen in bestehenden Gebäuden vorgesehen. Abschließend sollen deshalb die Möglichkeiten zur Prüfung korrekter Anschlüsse, die Grenzen der Verfahren sowie auch die Grenzen der Anwendbarkeit bei Neuanlagen diskutiert werden. KW - Blitzschutz KW - Stahlbetonkonstruktion KW - Lightning Protection KW - reinforced concrete Y1 - 2001 ER - TY - CHAP A1 - Kern, Alexander A1 - Neskakis, Apostolos A1 - Müller, Klaus-Peter T1 - Blitzschutzkonzept für eine netz-autarke Hybridanlage am Beispiel der Anlage VATALI auf Kreta N2 - Netz-autarke Anlagen bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Photovoltaik- (PV-) Anlagen, ggf. auch Solarthermie- (ST-) Anlagen und einem oder mehreren kleineren Windgeneratoren (sie werden deshalb auch als Hybridanlagen bezeichnet) und werden vor allem in Gegenden mit sehr schlechter öffentlicher Energieversorgung eingesetzt, d.h. insbesondere in rel. dünn bewohnten Gebieten und in Entwicklungsländern. Der Blitzschutz von netz-autarken Hybridanlagen ist ein bislang noch vergleichsweise unzureichend bearbeitetes Fachgebiet. Für große Windenergie-Anlagen (WEA) wurde in den letzten Jahren eine Zahl von FuE-Projekten durchgeführt, zum Großteil finanziert durch die öffentliche Hand, zum kleineren Teil auch durch die Industrie, d.h. die WEAHersteller. Dabei wurden bestehende Defizite im Design der WEA festgestellt und Maßnahmen vorgeschlagen, die vor den mechanischen Zerstörungen insbesondere des Rotors und vor den Störungen und Zerstörungen an den elektrischen / elektronischen Systemen der WEA weitgehend Schutz bieten [1, 2, 3]. Der Stand-der- Normung ist im Entwurf DIN VDE 0127 Teil 24 „Blitzschutz für Windenergieanlagen“ (dt. Übersetzung des internationalen Drafts IEC 61400-24 „Wind turbine generator systems; Part 24: Lightning Protection“) dokumentiert [4]. Die Maßnahmen sind allerdings insbesondere für größere WEA vorgesehen; im Falle kleinerer WEA lassen sie sich nur bedingt umsetzen. Trotzdem sind auch kleinere WEA rel. stark blitzeinschlaggefährdet, wenn sie auf einer Bergkuppe o.ä. platziert werden. Für solche kleinere WEA, wie sie bei Hybridanlagen üblicherweise Verwendung finden, müssen die Blitzschutzmaßnahmen aus der DIN VDE 0127 Teil 24 angepasst werden. Für PV- und ST-Anlagen ist eine entsprechende Blitzschutz-Norm noch nicht in Sicht. Hier ist vor allem der Schutz gegen direkte Blitzeinschläge in die Anlage bzw. die Gebäude noch nicht ausreichend beachtet. Blitzfangeinrichtungen sind oft nicht vorgesehen. In aller Regel hat man dabei bisher eine Ausführungsform des Blitzschutzes realisiert, die primär einen Ferneinschlag berücksichtigt und die dabei entstehenden induzierten, rel. energieschwachen Überspannungen durch schwächere Schutzelemente wie Rückstromdioden, Bypassdioden und zum Teil thermisch überwachte Varistoren begrenzt [5, 6, 7]. Diese Schutzelemente können allerdings bei Naheinschlägen bzw. Direkteinschlägen überlastet und damit zerstört werden. Darüber hinaus können Nahoder Direkteinschläge auch zur Schwächung der elektrischen Festigkeit der PVModulisolierung führen. Die Folge davon sind lokale extreme Wärmeentwicklungen, die sogar ein Schmelzen von Glas (sekundärer Langzeiteffekt) hervorrufen könnten. Bei einem Blitzeinschlag in die netz-autarke Hybridanlage VATALI auf Kreta im Jahre 2000 wurden sowohl einige mechanische wie auch elektrische Komponenten der Anlage zerstört bzw. zum Teil schwer beschädigt. Die Anlage VATALI besaß zum Zeitpunkt des Blitzeinschlags keinen wirksamen Blitzschutz. Der Gesamtschaden der Hardware belief sich auf ca. 60.000,- EURO. Die exponierte Stellung der Anlage auf einer Bergspitze stellte und stellt nach wie vor ein enormes Blitzeinschlag-Risiko dar, so dass auch zukünftig mit Blitzeinwirkungen gerechnet werden muss. Die Anlage wurde inspiziert, blitzschutz-technische Erfordernisse definiert und daraus Ertüchtigungsmaßnahmen abgeleitet, die mit überschaubarem Aufwand realisierbar sind. KW - Blitzschutz KW - Hybridanlage KW - Regenerative Energieanlagen KW - Lightning protection KW - renewable energy KW - hybrid system Y1 - 2001 ER - TY - CHAP A1 - Krichel, Frank A1 - Kern, Alexander A1 - Krämer, Heinz-Josef A1 - Wettingfeld, Jürgen A1 - Reetz, Josef A1 - Kienlein, Manfred T1 - Blitzschutzmaßnahmen für Photovoltaik- und kleine Windenergieanlagen – Einige Beispiele T1 - Lightning Protection for photovoltaic and small wind energy power plants N2 - Ein von der Arbeitsgemeinschaft (AG) Solar NRW und diversen Industriepartnern gefördertes und an der Fachhochschule Aachen, Abt. Jülich durchgeführtes Forschungsprojekt „Blitzschutz für netz-autarke Hybridanlagen“ machte es möglich, sich mit dem Blitzschutz speziell solcher Anlagen näher zu beschäftigen. Vermehrt bekannt gewordene Schadensfälle an nicht netz-gekoppelten Hybridanlagen waren der Auslöser, den Schutz zu überdenken. Definiertes Ziel war es, für netz-autarke energietechnische Anlagen ein Konzept zum Schutz vor Blitzeinwirkungen zu erstellen. Diese Anlagen bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Photovoltaikanlagen, ggf. auch Solarthermieanlagen und einem oder mehreren kleineren Windgeneratoren (sie werden deshalb auch als Hybridanlagen bezeichnet). Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit kann noch ein Dieselaggregat dazukommen. Hybridanlagen werden vor allem in Gebieten mit sehr schlechter öffentlicher Energieversorgung eingesetzt, d.h. insbesondere in relativ dünn bewohnten Gebieten und in Entwicklungsländern. Dem Blitzschutz von Hybridanlagen kommt dabei eine steigende Bedeutung zu. Besonderes Augenmerk in dem genannten Forschungsprojekt sollte dabei auf die technisch/wirtschaftliche Ausgewogenheit des Schutzes gelegt werden: • die Schutzmaßnahmen sollen nur in solchen Fällen eingesetzt werden, wo dies als Ergebnis von Risikoanalysen sinnvoll erscheint; • für typische netz-autarke Hybridanlagen sollen die Schutzmaßnahmen ohne deutliche Verteuerung realisierbar sein (es soll also kein absoluter Schutz realisiert werden; ggf. soll lediglich der auftretende Schaden soweit möglich minimiert werden). Dazu wurde in einem ersten Schritt zunächst eine Aufnahme des Iststandes einiger typischer netz-autarker Hybridanlagen und deren einzelnen Komponenten durchgeführt. Aufgrund dessen wurde eine umfassende Risikoanalyse zur Blitzbedrohung dieser Anlagen auf der Basis von VDE V 0185 Teil 2:2002-11 [1] erstellt. Die Ergebnisse mündeten in ein technisch/wirtschaftlich ausgewogenes Konzept für den Anlagen- Blitzschutz (d.h. insbesondere dem Schutz vor direkten Blitzeinschlägen und deren unmittelbaren Auswirkungen) nach VDE V 0185 Teil 3:2002-11 [2] und für den Elektronik-Blitzschutz (d.h. für den Schutz vor Überspannungen durch direkte, insbesondere aber auch indirekte Blitzeinschläge) nach VDE V 0185 Teil 4:2002-11 [3]. Aufgrund der gesammelten Ergebnisse konnten dabei allgemeine Empfehlungen für den Äußeren und Inneren Blitzschutz von regenerativen Energieerzeugungssystemen erstellt werden. Diese sollen in Schulungen einmünden, die für Hersteller und Betreiber von Hybridanlagen angeboten werden. Durch die Anwendung wird der Schutz der Anlagen vor Blitzeinwirkung und elektromagnetischen Störungen verbessert, was sich in einer reduzierten Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. erhöhten Verfügbarkeit wiederspiegelt. An einigen ausgewählten Anlagen werden mit Hilfe der im Projekt involvierten Industriepartner die Schutzmaßnahmen realisiert. Hierbei entstanden den Eigentümern bzw. Betreibern der Anlagen keine Kosten. In diesem Beitrag werden beispielhaft drei Anlagenprojekte detailliert gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Schweinezuchtfarm in Magallón (Spanien, Zaragozza), das bioklimatische Haus (Kreta, Heraklion) und die Tegernseer- Hütte (Deutschland, Lenggries). KW - Blitzschutz KW - Photovoltaikanlagen KW - Windenergieanlagen KW - Lightning protection KW - photovoltaic system KW - wind turbine Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Kühn, Raoul-Roman A1 - Haugner, Werner A1 - Staat, Manfred A1 - Sponagel, Stefan T1 - A Two Phase Mixture Model based on Bone Observation N2 - An optimization method is developed to describe the mechanical behaviour of the human cancellous bone. The method is based on a mixture theory. A careful observation of the behaviour of the bone material leads to the hypothesis that the bone density is controlled by the principal stress trajectories (Wolff’s law). The basic idea of the developed method is the coupling of a scalar value via an eigenvalue problem to the principal stress trajectories. On the one hand this theory will permit a prediction of the reaction of the biological bone structure after the implantation of a prosthesis, on the other hand it may be useful in engineering optimization problems. An analytical example shows its efficiency. KW - Knochen KW - Knochenbildung KW - Knochenchirugie KW - Strukturanalyse KW - Schwammknochen KW - Knochendichte KW - Wolffsches Gesetz KW - bone structure KW - bone density KW - Wolff's Law KW - cancellous bone Y1 - 2004 ER - TY - CHAP A1 - Lang, H. A1 - Wirtz, K. A1 - Heitzer, Michael A1 - Staat, Manfred A1 - Oettel, R. T1 - Zyklische Einspielversuche zur Verifikation von Shakedown-Analysen mittels FEM T1 - Cyclic plastic deformation test to verify FEM-based shakedown analysis N2 - Im Rahmen von Ermüdungsanalysen ist nachzuweisen, daß die thermisch bedingten fortschreitenden Deformationen begrenzt bleiben. Hierzu ist die Abgrenzung des Shakedown-Bereiches (Einspielen) vom Ratchetting-Bereich (fortschreitende Deformation) von Interesse. Im Rahmen eines EU-geförderten Forschungsvorhabens wurden Experimente mit einem 4-Stab-Modell durchgeführt. Das Experiment bestand aus einem wassergekühlten inneren Rohr und drei isolierten und beheizbaren äußeren Probestäben. Das System wurde durch alternierende Axialkräfte, denen alternierende Temperaturen an den äußeren Stäben überlagert wurden, belastet. Die Versuchsparameter wurden teilweise nach vorausgegangenen Einspielanalysen gewählt. Während der Versuchsdurchführung wurden Temperaturen und Dehnungen zeitabhängig gemessen. Begleitend und nachfolgend zur Versuchsdurchführung wurden die Belastungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen nachvollzogen. Bei dieser inkrementellen elasto-plastischen Analyse mit dem Programm ANSYS wurden unterschiedliche Werkstoffmodelle angesetzt. Die Ergebnisse dieser Simulationsberechnung dienen dazu, die Shakedown-Analysen mittels FE-Methode zu verifizieren. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Shakedown KW - shakedown analysis KW - plastic deformation Y1 - 1999 ER - TY - BOOK A1 - Merten, Sabine T1 - Verbesserung der Ausbildung in der Mikrosystemtechnik - virtuelle Labore bereiten auf die Herstellung realer Drucksensoren vor (2 Fassungen: konvertiert und original N2 - Die Ausbildung in Hochtechnologien wie beispielsweise der Mikrosystemtechnik ist oft durch einen hohen Grad an Komplexität charakterisiert. Damit verbunden sind hohe Kosten für die Errichtung und den Betrieb der speziellen Laborräume und ihre häufig geringe Verfügbarkeit für die Studierenden. Zukünftige Ingenieure sammeln während ihrer Ausbildung aus diesen Gründen nur in beschränktem Umfang praktische Erfahrungen. Die Industrie hingegen fordert Personal mit hoher fachlicher Kompetenz, also fundiertem theoretischen Wissen und umfangreichen praktischen Kenntnissen. Dieser Diskrepanz – qualifizierte Ingenieure auf der einen Seite und eine eher theoretisch ausgerichtete Ausbildung auf der anderen Seite – wird mit einem neuen Blended-Learning-Konzept für MST-Technologiepraktika begegnet. Lernende werden über ein virtuelles Labor, das einen echten Reinraum mit realen Anlagen simuliert, intensiv auf reale Laborpraktika vorbereitet. Dabei geht es im virtuellen Labor gleichermaßen um die Vermittlung von Theorie und Praxis. Nur trainierte Teilnehmer mit einer intensiven Vorbereitung sind in der Lage, relativ eigenständig ein echtes MST-Bauteil innerhalb des anschließenden einwöchigen Laborkurses zu fertigen. Die Wirksamkeit des Konzeptes und die Steigerung des Lernerfolges durch die kombinierten virtuellen und realen Laborkurse wurden im Rahmen der Dissertation begleitend untersucht. Die Ergebnisse flossen direkt in die Weiterentwicklung der Technologiepraktika ein. Die Konzepte und Erkenntnisse sind zudem sehr interessant für die Entwicklung von Blended-Learning-Angeboten in ähnlichen oder anderen Fachgebieten sowie für weitere Bildungseinrichtungen. (Die Dissertation liegt hier in 2 Fassungen vor: Die Originalfassung ist nur bei guter Rechnerausstattung und guter Netzanbindung nutzbar, die konvertierte Fassung ist unverändert, allerdings sind Qualitätseinbußen beim Ausdruck einiger Grafiken möglich) N2 - Education in high technologies, like e.g. Microsystems technology, is usually characterized by a high degree of complexity. In addition it is usually connected with large economic efforts for invest, operation and maintenance of the special laboratory facilities. The access to such facilities for educational purposes is often quite limited. Therefore engineering students rather rarely gather practical experience in such technologies during their university studies. In contrast, industry has a large demand for engineers with high professional competence, i.e. profound theoretical knowledge combined with substantial practical experience. The newly developed blended learning concept for MST laboratory training tries to bridge the gap between the need for qualified engineers and the more theoretical university education. The learners prepare intensively for real hands-on clean room trainings with a virtual technology laboratory, i.e. a computer simulation of the clean room machines and the corresponding processes. In the virtual technology laboratory the students brush up their theoretical knowledge and at the same time learn to operate the complex clean room machines. Only well trained and intensively prepared students are capable to produce a fully functional MST component within a compact clean room laboratory course of only one week duration and an only modest amount of supervision. The effectivity of this concept and the increase of the learning success due to the specific mixture of virtual and real laboratory sessions has been accompanied and analysed by this dissertation. The results have been used to further improve the laboratory courses. Concepts and results are also very attractive for comparable blended learning proposals in other technical disciplines. KW - Mikrosystemtechnik KW - Virtuelles Laboratorium KW - Lernprogramm KW - Hochschule / Lehre / Evaluation KW - Computersimulation KW - Drucksensor KW - Blended-Learning KW - Reinraumpraktikum KW - blended learning KW - hands-on cleanroom training Y1 - 2005 N1 - Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2005 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Plastic collapse analysis of longitudinally flawed pipes and vessels N2 - Improved collapse loads of thick-walled, crack containing pipes and vessels are suggested. Very deep cracks have a residual strength which is better modelled by a global limit load. In all burst tests, the ductility of pressure vessel steels was sufficiently high whereby the burst pressure could be predicted by limit analysis with no need to apply fracture mechanics. The relative prognosis error increases however, for long and deep defects due to uncertainties of geometry and strength data. KW - Druckbehälter KW - Stahl KW - Druckbelastung KW - Druckbeanspruchung KW - Rohr KW - Rohrbruch KW - Druckbehälter KW - Stahl KW - Druckbelastung KW - Druckbeanspruchung KW - Rohrbruch KW - Fehlerstellen KW - pipes KW - vessels KW - load limit KW - burst tests KW - burst pressure KW - flaw Y1 - 2004 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Direct FEM Limit and Shakedown Analysis with Uncertain Data N2 - The structural reliability with respect to plastic collapse or to inadaptation is formulated on the basis of the lower bound limit and shakedown theorems. A direct definition of the limit state function is achieved which permits the use of the highly effective first order reliability methods (FORM) is achieved. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. The limit state function and its gradient are obtained from a mathematical optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error, leading to highly effective and precise reliability analyses. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Einspielen KW - FEM KW - Einspielanalyse KW - shakedown KW - limit load KW - reliability analysis KW - FEM KW - direct method Y1 - 2000 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Cyclic plastic deformation tests to verify FEM-based shakedown analyses N2 - Fatigue analyses are conducted with the aim of verifying that thermal ratcheting is limited. To this end it is important to make a clear distintion between the shakedown range and the ratcheting range (continuing deformation). As part of an EU-supported research project, experiments were carried out using a 4-bar model. The experiment comprised a water-cooled internal tube, and three insulated heatable outer test bars. The system was subjected to alternating axial forces, superimposed with alternating temperatures at the outer bars. The test parameters were partly selected on the basis of previous shakedown analyses. During the test, temperatures and strains were measured as a function of time. The loads and the resulting stresses were confirmed on an ongoing basis during performance of the test, and after it. Different material models were applied for this incremental elasto-plastic analysis using the ANSYS program. The results of the simulation are used to verify the FEM-based shakedown analysis. KW - Materialermüdung KW - Einspielen KW - Materialermüdung KW - shakedown analyses KW - thermal ratcheting KW - fatigue analyses Y1 - 2001 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Local and global collapse pressure of longitudinally flawed pipes and cylindrical vessels N2 - Limit loads can be calculated with the finite element method (FEM) for any component, defect geometry, and loading. FEM suggests that published long crack limit formulae for axial defects under-estimate the burst pressure for internal surface defects in thick pipes while limit loads are not conservative for deep cracks and for pressure loaded crack-faces. Very deep cracks have a residual strength, which is modelled by a global collapse load. These observations are combined to derive new analytical local and global collapse loads. The global collapse loads are close to FEM limit analyses for all crack dimensions. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Grenzwertberechnung KW - Axialbelastung KW - FEM KW - Grenzwertberechnung KW - Axialbelastung KW - Traglastanalyse KW - Limit analysis KW - Global and local collapse KW - Axially cracked pipe KW - Pressure loaded crack-face Y1 - 2005 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Direct finite element route for design-by-analysis of pressure components N2 - In the new European standard for unfired pressure vessels, EN 13445-3, there are two approaches for carrying out a Design-by-Analysis that cover both the stress categorization method (Annex C) and the direct route method (Annex B) for a check against global plastic deformation and against progressive plastic deformation. This paper presents the direct route in the language of limit and shakedown analysis. This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for mechanical and thermal actions. One observation from the examples is that the so-called 3f (3Sm) criterion fails to be a reliable check against progressive plastic deformation. Precise conditions are given, which greatly restrict the applicability of the 3f criterion. KW - Einspielen KW - Plastizität KW - Deformation KW - Analytischer Zulaessigkeitsnachweis KW - Einspiel-Analyse KW - fortschreitende plastische Deformation KW - alternierend Verformbarkeit KW - Einspiel-Kriterium KW - Design-by-analysis KW - Shakedown analysis KW - Progressive plastic deformation KW - Alternating plasticity KW - Shakedown criterion Y1 - 2005 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Shakedown and ratchetting under tension-torsion loadings: analysis and experiments N2 - Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratchetting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratchetting range. The performed experiment comprised a hollow tension specimen which was subjected to alternating axial forces, superimposed with constant moments. First, a series of uniaxial tests has been carried out in order to calibrate a bounded kinematic hardening rule. The load parameters have been selected on the basis of previous shakedown analyses with the PERMAS code using a kinematic hardening material model. It is shown that this shakedown analysis gives reasonable agreement between the experimental and the numerical results. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis. KW - Einspielen KW - Einspielen KW - Ratchetting KW - Zug-Druck Belastung KW - shakedown KW - ratchetting KW - tension–torsion loading Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Basis Reduction for the Shakedown Problem for Bounded Kinematic Hardening Material N2 - Limit and shakedown analysis are effective methods for assessing the load carrying capacity of a given structure. The elasto–plastic behavior of the structure subjected to loads varying in a given load domain is characterized by the shakedown load factor, defined as the maximum factor which satisfies the sufficient conditions stated in the corresponding static shakedown theorem. The finite element dicretization of the problem may lead to very large convex optimization. For the effective solution a basis reduction method has been developed that makes use of the special problem structure for perfectly plastic material. The paper proposes a modified basis reduction method for direct application to the two-surface plasticity model of bounded kinematic hardening material. The considered numerical examples show an enlargement of the load carrying capacity due to bounded hardening. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Einspielen KW - Basis Reduktion KW - konvexe Optimierung KW - FEM KW - Druckgeräte KW - Basis reduction KW - Convex optimization KW - FEM KW - Shakedown analysis Y1 - 2000 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred T1 - Design by Analysis of Pressure Components by non-linear Optimization N2 - This paper presents the direct route to Design by Analysis (DBA) of the new European pressure vessel standard in the language of limit and shakedown analysis (LISA). This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for some examples from the DBA-Manual. One observation from the examples is, that the optimisation approach gives reliable and close lower bound solutions leading to simple and optimised design decision. KW - Analytischer Zulaessigkeitsnachweis KW - FEM KW - Einspiel-Analyse KW - design-by-analysis KW - finite element analysis KW - limit and shakedown analysis Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - LISA - a European project for FEM-based limit and shakedown analysis N2 - The load-carrying capacity or the safety against plastic limit states are the central questions in the design of structures and passive components in the apparatus engineering. A precise answer is most simply given by limit and shakedown analysis. These methods can be based on static and kinematic theorems for lower and upper bound analysis. Both may be formulated as optimization problems for finite element discretizations of structures. The problems of large-scale analysis and the extension towards realistic material modelling will be solved in a European research project. Limit and shakedown analyses are briefly demonstrated with illustrative examples. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Traglastanalyse KW - Einspielanalyse KW - FEM KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 2001 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael T1 - The restricted influence of kinematic hardening on shakedown loads N2 - Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratcheting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratcheting range. In cyclic plasticity more sophisticated hardening models have been suggested in order to model the strain evolution observed in ratcheting experiments. The hardening models used in shakedown analysis are comparatively simple. It is shown that shakedown analysis can make quite stable predictions of admissible load ranges despite the simplicity of the underlying hardening models. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis. Both give identical or similar shakedown ranges. Structural shakedown analyses show that the loading may have a more pronounced effect than the hardening model. KW - Biomedizinische Technik KW - Einspielen KW - Shakedown KW - Ratcheting KW - Bruchmechanik KW - shakedown KW - material shakedown KW - linear kinematic hardening KW - nonlinear kinematic hardening KW - ratchetting Y1 - 2002 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael T1 - Direct static FEM approach to limit and shakedown analysis N2 - Safety and reliability of structures may be assessed indirectly by stress distributions. Limit and shakedown theorems are simplified but exact methods of plasticity that provide safety factors directly in the loading space. These theorems may be used for a direct definition of the limit state function for failure by plastic collapse or by inadaptation. In a FEM formulation the limit state function is obtained from a nonlinear optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error. Moreover, the direct way leads to highly effective and precise reliability analyses. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. KW - Einspielen KW - Nichtlineare Optimierung KW - Shakedown KW - Shakedown KW - limit load KW - lower bound theorem KW - nonlinear optimization KW - reliability Y1 - 2000 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael T1 - Direkte FEM-Berechnung der Tragfähigkeit hochbeanspruchter passiver Komponenten T1 - Direct FEM-computation of load carrying capacity of highly loaded passive components N2 - Genaue Kenntnis der Spannungen und Verformungen in passiven Komponenten gewinnt man mit detailierten inelastischen FEM Analysen. Die lokale Beanspruchung läßt sich aber nicht direkt mit einer Beanspruchbarkeit im strukturmechanischen Sinne vergleichen. Konzentriert man sich auf die Frage nach der Tragfähigkeit, dann vereinfacht sich die Analyse. Im Rahmen der Plastizitätstheorie berechnen Traglast- und Einspielanalyse die tragbaren Lasten direkt und exakt. In diesem Beitrag wird eine Implementierung der Traglast- und Einspielsätze in ein allgemeines FEM Programm vorgestellt, mit der die Tragfähigkeit passiver Komponenten direkt berechnet wird. Die benutzten Konzepte werden in Bezug auf die übliche Strukturanalyse erläutert. Beispiele mit lokal hoher Beanspruchung verdeutlichen die Anwendung der FEM basierten Traglast- und Einspielanalysen. Die berechneten Interaktionsdiagramme geben einen guten Überblick über die möglichen Betriebsbereiche passiver Komponenten. Die Traglastanalyse bietet auch einen strukturmechanischen Zugang zur Kollapslast rißbehafteter Komponenten aus hochzähem Material. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Tragfähigkeit KW - FEM-Programm KW - FEM-computation KW - load carrying capacity Y1 - 1997 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael T1 - Limit and shakedown analysis for plastic design N2 - Limit and shakedown theorems are exact theories of classical plasticity for the direct computation of safety factors or of the load carrying capacity under constant and varying loads. Simple versions of limit and shakedown analysis are the basis of all design codes for pressure vessels and pipings. Using Finite Element Methods more realistic modeling can be used for a more rational design. The methods can be extended to yield optimum plastic design. In this paper we present a first implementation in FE of limit and shakedown analyses for perfectly plastic material. Limit and shakedown analyses are done of a pipe–junction and a interaction diagram is calculated. The results are in good correspondence with the analytic solution we give in the appendix. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Traglastanalyse KW - Einspielanalyse KW - FEM KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 1997 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael A1 - Hicken, E. F. T1 - LISA - ein europäisches Projekt zur FEM-basierten Traglast- und Einspielanalyse T1 - LISA - a European project for FEM-based limit and shakedown analysis N2 - Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist ähnlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA entwickelten Zuverlässigkeitsanalysen sind nichlinear erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. Auf die vorgesehenen Erweiterungen der Werkstoffmodellierung für nichtlineare Verfestigung und für Schädigung konnte hier nicht eingegangen werden. Es herrscht ein deutlicher Mangel an Experimenten zum Nachweis der Grenzen zwischen elastischem Einspielen und dem Versagen durch LCF oder durch Ratchetting. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - LISA KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 1999 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael A1 - Reinders, H. A1 - Schubert, F. T1 - Einspielen und Ratchetting bei Zug- und Torsionsbelastung: Analyse und Experimente T1 - Shakedown and ratchetting under tension-torsion loadings: analysis and experiments N2 - Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der klassischen Plastizitätstheorie, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Eine FEM-basierte Traglast- und Einspielanalyse für ideal plastisches Material wurde auf ein kinematisch verfestigendes Materialgesetz erweitert und in das Finite Element Programm PERMAS implementiert. In einem einfachen Zug-Torsionsexperiment wurde eine Hohlprobe mit konstanter Torsion und zyklischer Zugbelastung beansprucht, um die neue Implementierung zu verifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Einspielanalyse gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Bei Verfestigung lassen sich wesentlich größere Sicherheiten nachweisen. Dieses Potential bedarf weiterer experimenteller Absicherung. Parallel dazu ist die Eisnpieltheorie auf fortschrittliche Verfestigungsansätze zu erweitern. KW - Zug-Druck-Beanspruchung KW - Einspielen KW - Ratcheting KW - Torsion KW - Zug-Druck-Belastung KW - Torsionsbelastung KW - shakedown KW - ratchetting KW - tension–torsion loading Y1 - 2001 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Szelinski, E. A1 - Heitzer, Michael T1 - Kollapsanalyse von längsfehlerbehafteten Rohren und Behältern T1 - Collapse analysis of longitudinally flawed pipes and vessels N2 - Es werden verbesserte Kollapsanalysen von dickwandigen, mit axialen Oberflächenfehlern behafteten Rohren und Behältern vorgeschlagen. KW - Druckbehälter KW - Stahl KW - Druckbelastung KW - Druckbeanspruchung KW - Rohr KW - Rohrbruch KW - Fehlerstellen KW - pipes KW - vessels KW - load limit KW - burst tests KW - burst pressure KW - flaw Y1 - 2001 ER - TY - CHAP A1 - Surtees, A. J. A1 - Gillespie, A. A1 - Kern, Alexander A1 - Rousseau, A. T1 - DEVELOPMENT OF A RISK ASSESSMENT CALCULATOR BASED ON A SIMPLIFIED FORM OF THE IEC 62305-2 STANDARD ON LIGHTNING PROTECTION N2 - Neue Blitzschutznorm IEC 62305. Entwicklung einer einfachen Software zur Risikoabwägung N2 - IEC Technical Committee 81 is currently creating the new IEC 62305 series of standards on Lightning Protection. Working Group 9 is responsible for Part 2 of this series, which deals with the assessment and management of risk its CDV (Committee Draft for Voting) stage and has been circulated to National Committees for comment. The paper details the development of the Simplified IEC Risk Assessment Calculator software tool as described in Informative Annex J of IEC62305-2 Ed.1/CDV 2. This tool is intended as a simplified implementation of the more rigorous treatment of risk management found in the written document. It is designed to be relatively intuitive for users who wish to obtain an initial assessment of risk sensitivity, but should not be considered a substitute to a full understanding of the methods provided in the standard when dealing with more complicated structures or those where greater risks to personal or system operation are involved. KW - Risiko KW - Risikoabwägung KW - Blitzrisiko KW - Blitzschutz KW - Risk KW - Risk Management KW - Risk Assessment KW - Lightning Risk KW - Lightning Protection Y1 - 2004 ER - TY - JOUR A1 - Vu, Duc-Khoi A1 - Staat, Manfred T1 - An algorithm for shakedown analysis of structure with temperature dependent yield stress N2 - This work is an attempt to answer the question: How to use convex programming in shakedown analysis of structures made of materials with temperature-dependent properties. Based on recently established shakedown theorems and formulations, a dual relationship between upper and lower bounds of the shakedown limit load is found, an algorithmfor shakedown analysis is proposed. While the original problem is neither convex nor concave, the algorithm presented here has the advantage of employing convex programming tools. KW - Einspielen KW - Temperaturabhängigkeit KW - Fließgrenze KW - Shakedown KW - shakedown analysis KW - yield stress Y1 - 2004 ER - TY - CHAP A1 - Zischank, Wolfgang J. A1 - Heidler, Fridolin A1 - Kern, Alexander A1 - Metwally, I. A. A1 - Wiesinger, J. A1 - Seevers, M. T1 - Laboratory simulation of direct lightning strokes to a modelled building - measurement of magnetic fields and induced voltages N2 - In IEC 61312-2 equations for the assessment of the magnetic fields inside structures due to a direct lightning strike are given. These equations are based on computer simulations for shields consisting of a single-layer steel grid of a given mesh width. Real constructions, however, contain at least two layers of reinforcement steel grids. The objective of this study was to experimentally determine the additional shielding effectiveness of a second reinforcement layer compared to a single-layer grid. To this end, simulated structures were set up in the high current laboratory. The structures consisted of cubic cages of 2 m side length with one or with two reinforcement grids, respectively. The structures were exposed to direct lightning currents representing the variety of anticipated lightning current waveforms. The magnetic fields and their derivatives at several positions inside the structure as well as the voltage between “floor” and “roof” in the center were determined for different current injection points. From these data the improvement of the shielding caused by a second reinforcement layer is derived. KW - Direkter Blitzschlag KW - Elektromagnetischer Schutzschild KW - Magnetische Felder KW - Induzierte Spannungen KW - Stahlbetonkonstruktion KW - Lightning KW - electromagnetic shielding KW - magnetic field KW - reinforced concrete KW - induced voltage Y1 - 2002 ER - TY - CHAP A1 - Zischank, Wolfgang J. A1 - Heidler, Fridolin A1 - Wiesinger, J. A1 - Stimper, K. A1 - Kern, Alexander A1 - Seevers, M. T1 - Magnetic Fields and Induced Voltages inside LPZ 1 Measured at a 1:6 Scale Model Building N2 - Laborexperimente zu Blitzschutzzonen in Stahlbetongebäuden anhand eines Modells im Maßstab 1:6 N2 - For the application of the concept of Lightning Protection Zones (LPZ), the knowledge of the magnetic fields and induced voltages inside a structure is necessary. Laboratory experiments have been conducted at a downscaled model of a building (scale factor 1:6) to determine these electromagnetic quantities in case of a direct strike to the structure. The model (3 m x 2 m x 2 m) represented a small industrial building using the reinforcement of the concrete as electromagnetic shield. The magnetic fields and magnetic field derivatives were measured at several location inside the scaled model. Further, the voltages induced on three typical cable routes inside the model was determined. The influence of the lightning current waveshape, point-of-strike, bonding of the cable routes, and bridging of an expansion joint in the middle of the building on these quantities was studied. KW - Blitzschlag KW - Elektromagnetischer Schutzschild KW - Stahlbeton KW - Maßstabsgetreues Modell KW - Lightning KW - electromagnetic shielding KW - reinforced concrete KW - scaled model Y1 - 2004 ER - TY - CHAP A1 - Zischank, Wolfgang J. A1 - Kern, Alexander A1 - Frentzel, Ralf A1 - Heidler, Fridolin A1 - Seevers, M. T1 - Assessment of the lightning transient coupling to control cables interconnecting structures in large industrial facilities and power plants N2 - Large industrial facilities and power plants often require a huge number fo information and control cables between the differnet structures. These I&C-cables can be routed in reinforced concrete cable ducts or in isolated buried cable runs. KTA 2206 is the German lightning protection standard for nuclear power plants. During the last several years considerable effort has been made to revise this standard. Despite the well established principles and design guidelines for the construction of the lightning protection system, this standard puts special emphasis on the coupling of transient overvoltages to I&C-cables. KW - Blitzschutz KW - Elektromagnetische Kopplung KW - Überspannung KW - Kraftwerke KW - Industrieanlagen KW - Lightning KW - current distribution KW - electromagnetic coupling KW - overvoltages Y1 - 2000 ER -