From 8dc8c7a998d5a2862df90adc8b45d025e692d2d1 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "User-PC\\User" Date: Wed, 5 May 2021 14:09:44 +0200 Subject: =?UTF-8?q?Arbeiten=20am=20Kapitel,=20zur=20Probe,=20weiteren=20Zu?= =?UTF-8?q?sammenarbeit,=20sodass=20Roy=20Seitz=20es=20einsehen=20k=C3=B6n?= =?UTF-8?q?nte?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 48 ++++++++++-------------------------------- 1 file changed, 11 insertions(+), 37 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index 37d3242..8eb54cb 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -1,40 +1,14 @@ -% -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 2 -\label{spannung:section:teil2}} -\rhead{Teil 2} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit -aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores -eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam -est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci -velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore -et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima -veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam, -nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure -reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae -consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla -pariatur? +\section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger Spannungszustand}} +\rhead{Proportionalität Spannung-Dehnung} +Wie im Kapitel Spannungsausbreitung beschrieben herrscht in jedem Punkt ein anderer Spannungszustand. +Um die Spannung im Boden genauer untersuchen zu können für man einen infinitesimalen Würfel ein. +\begin{figure} + \includegraphics{C:/Users/User/Documents/SeminarMatrizen/buch/papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWürfel.jpg} + \caption{infinitesimaler Würfel} + \label{fig:infintesimaler-wurfel} +\end{figure} -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{spannung:subsection:bonorum}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis -est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis -est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime -placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor -repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut -rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae -sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a -sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias -consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat. +Sobald eine Kraft von oben wirkt hat man auch Kräfte die seitlich wirken. +Nun alle Kräfte ansehen des Infintesimalen Körpers -- cgit v1.2.1 From 7268e7363fddd5878b35de9169b64090a38a8fc5 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "User-PC\\User" Date: Thu, 6 May 2021 16:51:10 +0200 Subject: Push --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 39 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++-- 1 file changed, 37 insertions(+), 2 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index 8eb54cb..4aa8204 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -3,12 +3,47 @@ Wie im Kapitel Spannungsausbreitung beschrieben herrscht in jedem Punkt ein anderer Spannungszustand. Um die Spannung im Boden genauer untersuchen zu können für man einen infinitesimalen Würfel ein. \begin{figure} - \includegraphics{C:/Users/User/Documents/SeminarMatrizen/buch/papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWürfel.jpg} + \centering + \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken\infinitesimalerWürfel.jpg} \caption{infinitesimaler Würfel} \label{fig:infintesimaler-wurfel} \end{figure} Sobald eine Kraft von oben wirkt hat man auch Kräfte die seitlich wirken. -Nun alle Kräfte ansehen des Infintesimalen Körpers +An diesem infinitesimalen Würfel hat man ein räumliches Koordinatensystem, die Achsen (1,2,3). +Jede dieser 6 Flächen dieses Würfels hat damit 3 Pfeile. +Geschrieben werden diese mit $\sigma$ mit jeweils zwei Indizes gibt. +Die Indizes geben uns an, in welche Richtung der Pfeil zeigt. +Zur Notation wird die Voigt`sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: + +\[ +\overline{\sigma} += +\left[ \begin{array}{rrr} + \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ + \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ + \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} \\ +\end{array}\right] += +\left[ \begin{array}{rrr} + \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ + & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ + sym & & \sigma_{33} \\ +\end{array}\right] +\Rightarrow +\overrightarrow{\sigma} += +\left(\begin{array}{c}\sigma_{11}\\\sigma_{22}\\\sigma_{33}\\\sigma_{23}\\\sigma_{13}\\\sigma_{12}\end{array}\right) +\] + +Voigt`sche Notation besagt, dass man diesen Spannungstensor als Vektor aufschreiben darf. +Die Reihenfolge folgt der Regel von Ecke links oben, diagonal zur Ecke rechts unten. +Danach ist noch $\sigma_{23}$, $\sigma_{13}$ und $\sigma_{12}$ aufzuschreiben. + +Eine weitere Besonderheit ist die Symmetrie der Matrix. + +?????Was könnte man hier noch zu den Pfeilen erklären vom Würfel??????? + + -- cgit v1.2.1 From 51dc9a5ccc1b6a238a94e4520082594c4b3b7d26 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "User-PC\\User" Date: Wed, 12 May 2021 17:04:05 +0200 Subject: Diverse Anpassungen/Korrekturen --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 249 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++--- 1 file changed, 235 insertions(+), 14 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index 4aa8204..d11b3f6 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -1,49 +1,270 @@ -\section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger Spannungszustand}} +\section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger_Spannungszustand}} \rhead{Proportionalität Spannung-Dehnung} Wie im Kapitel Spannungsausbreitung beschrieben herrscht in jedem Punkt ein anderer Spannungszustand. Um die Spannung im Boden genauer untersuchen zu können für man einen infinitesimalen Würfel ein. \begin{figure} \centering - \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken\infinitesimalerWürfel.jpg} - \caption{infinitesimaler Würfel} + \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWuerfel.jpg} + \caption{Infinitesimaler Würfel} \label{fig:infintesimaler-wurfel} \end{figure} Sobald eine Kraft von oben wirkt hat man auch Kräfte die seitlich wirken. -An diesem infinitesimalen Würfel hat man ein räumliches Koordinatensystem, die Achsen (1,2,3). +An diesem infinitesimalen Würfel hat man ein räumliches Koordinatensystem, die Achsen $(1,2,3)$. Jede dieser 6 Flächen dieses Würfels hat damit 3 Pfeile. Geschrieben werden diese mit $\sigma$ mit jeweils zwei Indizes gibt. Die Indizes geben uns an, in welche Richtung der Pfeil zeigt. -Zur Notation wird die Voigt`sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: +Der erste Index ist die Achse auf welcher man sich befindet. +Der zweite Index gibt an, in welche Richtung der Pfeil zeigt. +Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: \[ \overline{\sigma} = -\left[ \begin{array}{rrr} +\begin{pmatrix} \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ - \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} \\ -\end{array}\right] + \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} +\end{pmatrix} = -\left[ \begin{array}{rrr} +\begin{pmatrix} \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ - & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ + & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ sym & & \sigma_{33} \\ -\end{array}\right] +\end{pmatrix} \Rightarrow \overrightarrow{\sigma} = -\left(\begin{array}{c}\sigma_{11}\\\sigma_{22}\\\sigma_{33}\\\sigma_{23}\\\sigma_{13}\\\sigma_{12}\end{array}\right) +\begin{pmatrix} + \sigma_{11}\\ + \sigma_{22}\\ + \sigma_{33}\\ + \sigma_{23}\\ + \sigma_{13}\\ + \sigma_{12} +\end{pmatrix} \] -Voigt`sche Notation besagt, dass man diesen Spannungstensor als Vektor aufschreiben darf. +Voigt'sche Notation besagt, dass man diesen Spannungstensor als Vektor aufschreiben darf. Die Reihenfolge folgt der Regel von Ecke links oben, diagonal zur Ecke rechts unten. Danach ist noch $\sigma_{23}$, $\sigma_{13}$ und $\sigma_{12}$ aufzuschreiben. Eine weitere Besonderheit ist die Symmetrie der Matrix. +So entspricht $\sigma_{23}$ dem Wert $\sigma_{32}$ oder $\sigma_{13}$ dem Wert $\sigma_{31}$. +Dies ist dadurch bedingt, dass die Kräfte in seitlicher Richtung im Boden die gleichen Werte annehmen. +Man hat in dieser Berechnung ein isotropes Material. +Im infinitesimalen Körper muss ein Gleichgewicht vorherrschen. +Ist kein Gleichgewicht vorhanden, würde sich der Körper zu drehen beginnen. +Es macht somit keinen Unterschied, ob man auf der Achse 2 in Richtung drei geht, +oder auf der Achse 3 in Richtung 2. -?????Was könnte man hier noch zu den Pfeilen erklären vom Würfel??????? +Da die Spannung proportional zur Dehnung ist, kann man die ganze Voigt'sche Notation auch mit der Dehnung ausdrücken. +Auch hier wandelt man das ganze gemäss der Reihenfolge in einen Vektor um. +\[ +\bar{\varepsilon} += +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} & \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{21} & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{31} & \varepsilon_{32} & \varepsilon_{33} +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} & \varepsilon_{13} \\ + & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ + \text{sym} & & \varepsilon_{33} +\end{pmatrix} +\qquad +\Rightarrow +\qquad +\vec{\varepsilon} += +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} \\ + \varepsilon_{22} \\ + \varepsilon_{33} \\ + \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{12} +\end{pmatrix} +\] + + +Mit der hergeleiteten Beziehung für die Spannungsgleichung anhand vom E-Modul, +der allgemeinen linearen Spannungsgleichung kann man diese Beziehungen neu aufschreiben. +Man benötigt dazu den zuvor berechneten Dehnungsvektor. +Die Gleichung besagt: +Spannungsvektor $=$ Elastitzitätstensor $\times$ Dehnungsvektor + +\[ +\overrightarrow{\sigma} += +\overline{\overline{C}}\cdot \overrightarrow{\varepsilon} +\] + +Die Vektoren haben je 6 Einträge. Um das ganze auszudrücken braucht es einen 6 x 6 Elastizitätstensor. (Kann man das noch weiter erklären weshalb?????) +Das ganze sieht dann wie folgt aus: + +\[ +\begin{pmatrix} + \sigma_{11} \\ + \sigma_{22} \\ + \sigma_{33} \\ + \sigma_{23} \\ + \sigma_{13} \\ + \sigma_{12} +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} + C_{11} & C_{12} & C_{13} & C_{14} & C_{15} & C_{16} \\ + C_{21} & C_{22} & C_{23} & C_{24} & C_{25} & C_{26} \\ + C_{31} & C_{32} & C_{33} & C_{34} & C_{35} & C_{36} \\ + C_{41} & C_{42} & C_{43} & C_{44} & C_{45} & C_{46} \\ + C_{51} & C_{52} & C_{53} & C_{54} & C_{55} & C_{56} \\ + C_{61} & C_{62} & C_{63} & C_{64} & C_{65} & C_{66} +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} \\ + \varepsilon_{22} \\ + \varepsilon_{33} \\ + \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{12} +\end{pmatrix} +\] + +IST DIESE REIHENFOLGE KORREKT???? BEI DEHNUNG + +Die Spannung $\sigma_{11}$ besteht somit aus Anteilen von all diesen sechs Konstanten und den verschiedenen Dehnungen. +Zuvor bei der Voigt'schen Notation hat man jedoch gesehen, dass die Tensoren symmetrisch sind. +Folglich muss auch dieser Elastizitätstensor symmetrisch sein. +Das sind folgendermassen aus: + +\[ +\begin{pmatrix} + \sigma_{11} \\ + \sigma_{22} \\ + \sigma_{33} \\ + \sigma_{23} \\ + \sigma_{13} \\ + \sigma_{12} +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} + C_{11} & C_{12} & C_{13} & C_{14} & C_{15} & C_{16} \\ + & C_{22} & C_{23} & C_{24} & C_{25} & C_{26} \\ + & & C_{33} & C_{34} & C_{35} & C_{36} \\ + & & & C_{44} & C_{45} & C_{46} \\ + & & & & C_{55} & C_{56} \\ + \text{sym} & & & & & C_{66} +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} \\ + \varepsilon_{22} \\ + \varepsilon_{33} \\ + \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{12} +\end{pmatrix} +\] + +Die Konstanten $C$ kann man nun anders ausdrücken. +Und zwar bewerkstelligt man dies mithilfe vom Hook'schen Gesetz. + +\[ +\begin{pmatrix} + \sigma_{11}\\ + \sigma_{22}\\ + \sigma_{33}\\ + \sigma_{23}\\ + \sigma_{13}\\ + \sigma_{12} +\end{pmatrix} += +\frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)} +\begin{pmatrix} + 1- 2\nu & \nu & \nu & 0 & 0 & 0\\ + \nu & 1- 2\nu & \nu & 0 & 0 & 0\\ + \nu & \nu & 1- 2\nu & 0 & 0 & 0\\ + 0 & 0 & 0 & \frac{1}{2} & 0 & 0\\ + 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{1}{2} & 0\\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{1}{2} +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11}\\ + \varepsilon_{22}\\ + \varepsilon_{33}\\ + \varepsilon_{23}\\ + \varepsilon_{13}\\ + \varepsilon_{12} +\end{pmatrix} +\] + +Mithilfe der Poissonzahl, welche uns die Querdehnung angibt, +sprich wie viel sich der Körper in Querrichtung verformt und dem E-Modul kann man alle Konstanten ausdrücken. +Bei einigen fällt auf, dass diese 0 werden. Der Tensor besagt also, +dass diese jeweiligen Konstanten keinen Einfluss auf unsere Spannung haben. +Als Beispiel kann man sich $\sigma_{33}$ anschauen. +Es ist ersichtlich, dass die Konstante $C_{31}$, $C_{32}$, $C_{33}$, $C_{35}$ und $C_{36}$ keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ haben. +Dies kann wie folgt erklärt werden. Auf Achse 3 geht $\sigma_{33}$ in Richtung 3. +Der Einfluss von $C_{31}$, Achse 3 in Richtung 1 hat keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ + +Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man nun die Inverse Matrix $\overline{\overline{C}}~^{-1}$ stellt sich die ganze Gleichung um. + +\[ +\vec{\varepsilon} += +\overline{\overline{C}}~^{-1}\cdot \vec{\sigma} +\] + +\[ +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11}\\ + \varepsilon_{22}\\ + \varepsilon_{33}\\ + \varepsilon_{23}\\ + \varepsilon_{13}\\ + \varepsilon_{12} +\end{pmatrix} += +\frac{1}{E} +\begin{pmatrix} + 1 & -\nu & -\nu & 0 & 0 & 0\\ + -\nu & 1 & -\nu & 0 & 0 & 0\\ + -\nu & -\nu & 1 & 0 & 0 & 0\\ + 0 & 0 & 0 & 2+2\nu & 0 & 0\\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 2+2\nu & 0\\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 2+2\nu +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} + \sigma_{11}\\ + \sigma_{22}\\ + \sigma_{33}\\ + \sigma_{23}\\ + \sigma_{13}\\ + \sigma_{12} +\end{pmatrix} +\] + +Die zwei Blöcke links unten und rechts oben sind immer noch vorhanden. +Im Vergleich wo wir die Inverse noch nicht gemacht haben hat sich das nicht geändert. +Um die Einflüsse der Parameter zu veranschaulichen schreibt man folgende Gleichung. + +\[ +\varepsilon_{22} += +\frac{1}{E}\sigma_{22} - \frac{\nu}{E}\sigma_{11} - \frac{\nu}{E}\sigma_{33} +\] + +$\varepsilon_{22}$ beschreibt die Dehnung in Achse 2 und in Richtung 2. +In erster Linie hängt $\varepsilon_{22}$ von $\sigma_{22}$ ab. +Wenn die Poisson - Zahl grösser wird oder $\sigma_{11}$ oder $\sigma_{33}$, dann wird dadurch die Dehnung $\varepsilon_{22}$ kleiner. +Das heisst, auf Kosten von Verformung in anderer Richtung als Achse 2 Richtung 2 erfolgt die Verformung an anderer Stelle. +Wiederum hat die Schubspannung auf $\sigma_{11}$ keinen Einfluss. +Nun kennt man die Beziehung der 6 Dehnungen mit den 6 Spannungen. +In der Geotechnik wäre das aufgrund der vielen Komponenten sehr umständlich um damit Berechnungen zu machen. +Es braucht daher eine Vereinfachung mit Invarianten, welche im nächsten Kapitel beschrieben sind. -- cgit v1.2.1 From 8c0f3f0193804f257bc6646aef8c3be0f9c9166b Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "User-PC\\User" Date: Sat, 15 May 2021 17:29:20 +0200 Subject: =?UTF-8?q?=C3=9Cberarbeitungen?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 249 +++++++++++++++++++++++++++++++++++------ 1 file changed, 215 insertions(+), 34 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index d11b3f6..3db3e26 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -1,22 +1,197 @@ \section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger_Spannungszustand}} \rhead{Proportionalität Spannung-Dehnung} Wie im Kapitel Spannungsausbreitung beschrieben herrscht in jedem Punkt ein anderer Spannungszustand. -Um die Spannung im Boden genauer untersuchen zu können für man einen infinitesimalen Würfel ein. +Um die Spannung im Boden genauer untersuchen zu können, führt man einen infinitesimales Bodenteilchen ein. +Das Bodenteilchen ist geometrisch gesehen ein Würfel. +An diesem Bodenteilchen trägt man die Spannungen ein in alle Richtungen. + \begin{figure} \centering - \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWuerfel.jpg} - \caption{Infinitesimaler Würfel} + \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWuerfel.png} + \caption{Infinitesimales Bodenteilchen} \label{fig:infintesimaler-wurfel} \end{figure} -Sobald eine Kraft von oben wirkt hat man auch Kräfte die seitlich wirken. +An diesem infinitesimalen Bodenteilchen hat man ein räumliches Koordinatensystem, die Achsen $(1,2,3)$. +Die Achsen vom Koordinatensystem zeigen aus den 3 ersichtlichen Flächen heraus. +Pro ersichtliche Fläche haben wir eine Normalspannung und zwei Schubspannungen. +Im Gegensatz zum eindimensionalen Zustand entstehen bei einer Belastung des Bodenteilchens eine Vielzahl an Spannungen. +Es entstehen diverse Normal- und Schubspannungen. +Die Schubspannungen befinden sich an der Fläche, sie gehen rechtwinklig von den Achsen weg. +Die Schubspannungen auf einer Fläche stehen im 90 Grad Winkel zueinander. +Geschrieben werden diese mit $\sigma$, mit jeweils zwei Indizes. +Die Indizes geben uns an, in welche Richtung die Spannungen zeigen. +Der erste Index ist die Fläche auf welcher man sich befindet. +Der zweite Index gibt an, in welche Richtung die Spannung zeigt, dabei referenzieren die Indizes auch auf die Achsen $(1,2,3)$. +Bei den Spannungen sind immer positive als auch negative Spannungen möglich. +Es können also Druck- oder Zugspannungen sein. + +Zunächst wird untenstehend der allgemeine Spannungszustand betrachtet. + +Spannungstensor 2. Stufe i,j $\in$ {1,2,3} +\[ +\overline{\sigma} += +\sigma_{ij} += +\begin{pmatrix} + \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ + \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ + \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} +\end{pmatrix} += +\qquad +\Rightarrow +\qquad +\vec{\sigma} += +\begin{pmatrix} + \sigma_{11}\\ + \sigma_{12}\\ + \sigma_{13}\\ + \sigma_{21}\\ + \sigma_{22}\\ + \sigma_{23}\\ + \sigma_{31}\\ + \sigma_{32}\\ + \sigma_{33} +\end{pmatrix} +\] + +Dehnungstensor 2. Stufe k,l $\in$ {1,2,3} + +\[ +\overline{\varepsilon} += +\varepsilon_{kl} += +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} & \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{21} & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{31} & \varepsilon_{32} & \varepsilon_{33} +\end{pmatrix} += +\qquad +\Rightarrow +\qquad +\vec{\varepsilon} += +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} \\ + \varepsilon_{12} \\ + \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{21} \\ + \varepsilon_{22} \\ + \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{31} \\ + \varepsilon_{32} \\ + \varepsilon_{33} +\end{pmatrix} +\] + +Bei diesen zwei obenstehenden Formeln kann man sehen wie Matrizen zu einem Vektor umgewandelt wurden. +Unter dem Kapitel Hadamard-Algebra kann man sehen, dass man dabei Zeile um Zeile in eine Spalte schreiben kann, +sodass es einen Vektor ergibt. + +Elastizitätstensor 4. Stufe i,j,k,l $\in$ {1,2,3} +\[ +\overline\overline{C} += +C_{ijkl} += +\begin{pmatrix} +C_{1111} & C_{1112} & C_{1113} & C_{1121} & C_{1122} & C_{1123} & C_{1131} & C_{1132} & C_{1133} \\ +C_{1211} & C_{1212} & C_{1213} & C_{1221} & C_{1222} & C_{1223} & C_{1231} & C_{1232} & C_{1233} \\ +C_{1311} & C_{1312} & C_{1313} & C_{1321} & C_{1322} & C_{1323} & C_{1331} & C_{1332} & C_{1333} \\ +C_{2111} & C_{2112} & C_{2113} & C_{2121} & C_{2122} & C_{2123} & C_{2131} & C_{2132} & C_{2133} \\ +C_{2211} & C_{2212} & C_{1113} & C_{2221} & C_{2222} & C_{2223} & C_{2231} & C_{2232} & C_{2233} \\ +C_{2311} & C_{2312} & C_{2313} & C_{2321} & C_{2322} & C_{2323} & C_{2331} & C_{2332} & C_{2333} \\ +C_{3111} & C_{3112} & C_{3113} & C_{3121} & C_{3122} & C_{3123} & C_{3131} & C_{3132} & C_{3133} \\ +C_{3211} & C_{3212} & C_{3213} & C_{3221} & C_{3222} & C_{3223} & C_{3231} & C_{3232} & C_{3233} \\ +C_{3311} & C_{3312} & C_{3313} & C_{3321} & C_{3322} & C_{3323} & C_{3331} & C_{3332} & C_{3333} +\end{pmatrix} +\] + +Dieser Elastizitätstensor muss eine quadratische Matrix mit $3^{4}$ Einträgen ergeben, +da die Basis mit den drei Richtungen $1, 2, 3$ und die Potenz mit den 4 Indizes mit je $1, 2, 3$ definiert sind. +Dies gibt daher eine 9 x 9 Matrix, welche zudem symmetrisch ist. + +Folglich gilt: +\[ +\overline{\overline{C}} += +\overline{\overline{C}}~^{T} +\] + +Allgemeine Spannungsgleichung (mit Vektoren und Tensor) +\[ +\vec\sigma += +\overline{\overline{C}}\cdot\vec{\varepsilon} +\] + +\[ +\begin{pmatrix} + \sigma_{11}\\ + \sigma_{12}\\ + \sigma_{13}\\ + \sigma_{21}\\ + \sigma_{22}\\ + \sigma_{23}\\ + \sigma_{31}\\ + \sigma_{32}\\ + \sigma_{33} +\end{pmatrix} += +\frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)} +\begin{pmatrix} + 1-2\nu & 0 & 0 & 0 & \nu & 0 & 0 & 0 & \nu \\ + 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 \\ + 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + \nu & 0 & 0 & 0 & 1-2\nu & 0 & 0 & 0 & \nu \\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 \\ + 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 \\ + \nu & 0 & 0 & 0 & \nu & 0 & 0 & 0 & 1-2\nu +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} \\ + \varepsilon_{12} \\ + \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{21} \\ + \varepsilon_{22} \\ + \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{31} \\ + \varepsilon_{32} \\ + \varepsilon_{33} +\end{pmatrix} +\] + +Man kann das zudem auch als Indexnotation aufschreiben. + +\[ +\sigma_{ij} += += +\sum_k=1^3 +\sum_l=1^3 +C_{ijkl}\cdot\varepsilon_{kl} +\] + +Um die Berechnung an einem Beispiel zu veranschaulichen: + +\[ +\sigma_{22} += +\frac{E\cdot\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}\cdot\varepsilon_{11}+\frac{E}{(1+\nu)}\cdot\varepsilon_{22}+\frac{E\cdot\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}\cdot\varepsilon_{33} +\] + +Anhand dem Tensor der allgemeinen Spannungsgleichung kann man zwar eine Symmetrie erkennen. +Die verschiedenen Einträge wechseln sich aber mit einander ab und es gibt keine klaren Blöcke mit nur einem gleichen Eintrag. +Man greift deshalb auf die Voigt'sche Notation zurück. + -An diesem infinitesimalen Würfel hat man ein räumliches Koordinatensystem, die Achsen $(1,2,3)$. -Jede dieser 6 Flächen dieses Würfels hat damit 3 Pfeile. -Geschrieben werden diese mit $\sigma$ mit jeweils zwei Indizes gibt. -Die Indizes geben uns an, in welche Richtung der Pfeil zeigt. -Der erste Index ist die Achse auf welcher man sich befindet. -Der zweite Index gibt an, in welche Richtung der Pfeil zeigt. Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: \[ @@ -30,14 +205,14 @@ Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: = \begin{pmatrix} \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ - & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ - sym & & \sigma_{33} \\ + & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ + sym & & \sigma_{33} \end{pmatrix} \Rightarrow -\overrightarrow{\sigma} +\vec{\sigma} = \begin{pmatrix} - \sigma_{11}\\ + \sigma_{11}\\ \sigma_{22}\\ \sigma_{33}\\ \sigma_{23}\\ @@ -46,24 +221,23 @@ Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: \end{pmatrix} \] -Voigt'sche Notation besagt, dass man diesen Spannungstensor als Vektor aufschreiben darf. -Die Reihenfolge folgt der Regel von Ecke links oben, diagonal zur Ecke rechts unten. -Danach ist noch $\sigma_{23}$, $\sigma_{13}$ und $\sigma_{12}$ aufzuschreiben. +In der Voigt'sche Notation hat man die Reihenfolge von der Ecke links oben, diagonal zur Ecke rechts unten. +Danach ist noch $\sigma_{23}$, $\sigma_{13}$ und $\sigma_{12}$ aufzuschreiben um den Vektor zu erhalten. Eine weitere Besonderheit ist die Symmetrie der Matrix. -So entspricht $\sigma_{23}$ dem Wert $\sigma_{32}$ oder $\sigma_{13}$ dem Wert $\sigma_{31}$. +So entspricht $\sigma_{23}$ dem Wert $\sigma_{32}$ und $\sigma_{13}$ dem Wert $\sigma_{31}$. Dies ist dadurch bedingt, dass die Kräfte in seitlicher Richtung im Boden die gleichen Werte annehmen. Man hat in dieser Berechnung ein isotropes Material. Im infinitesimalen Körper muss ein Gleichgewicht vorherrschen. Ist kein Gleichgewicht vorhanden, würde sich der Körper zu drehen beginnen. -Es macht somit keinen Unterschied, ob man auf der Achse 2 in Richtung drei geht, +Es macht somit keinen Unterschied, ob man auf der Achse 2 in Richtung 3 geht, oder auf der Achse 3 in Richtung 2. Da die Spannung proportional zur Dehnung ist, kann man die ganze Voigt'sche Notation auch mit der Dehnung ausdrücken. Auch hier wandelt man das ganze gemäss der Reihenfolge in einen Vektor um. \[ -\bar{\varepsilon} +\overline{\varepsilon} = \begin{pmatrix} \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} & \varepsilon_{13} \\ @@ -96,15 +270,22 @@ Mit der hergeleiteten Beziehung für die Spannungsgleichung anhand vom E-Modul, der allgemeinen linearen Spannungsgleichung kann man diese Beziehungen neu aufschreiben. Man benötigt dazu den zuvor berechneten Dehnungsvektor. Die Gleichung besagt: -Spannungsvektor $=$ Elastitzitätstensor $\times$ Dehnungsvektor - \[ -\overrightarrow{\sigma} +\text{Spannungsvektor} += +\text{Elastizitätstensor}\cdot\text{Dehnungsvektor} +\] +\[ +\vec{\sigma} = -\overline{\overline{C}}\cdot \overrightarrow{\varepsilon} +\overline{\overline{C}}\cdot\vec{\varepsilon} \] -Die Vektoren haben je 6 Einträge. Um das ganze auszudrücken braucht es einen 6 x 6 Elastizitätstensor. (Kann man das noch weiter erklären weshalb?????) +Die Vektoren haben je 6 Einträge. Um das ganze auszudrücken braucht es einen 6 x 6 Elastizitätstensor. +Der Tensor hat sich also im Vergleich zum 9 x 9 Tensor verkleinert. +Dies ist deshalb der Fall, da man in den Achsen 2 und 3 Symmetrien hat. +Dadurch kann man die Einträge $(\varepsilon_{21}=\varepsilon_{12}; \varepsilon_{31}=\varepsilon_{13}; \varepsilon_{32}=\varepsilon_{23})$ +zusammenfassen und drei Einträge verschwinden, da drei Dehnungen gleich sind. Das ganze sieht dann wie folgt aus: \[ @@ -135,8 +316,6 @@ Das ganze sieht dann wie folgt aus: \end{pmatrix} \] -IST DIESE REIHENFOLGE KORREKT???? BEI DEHNUNG - Die Spannung $\sigma_{11}$ besteht somit aus Anteilen von all diesen sechs Konstanten und den verschiedenen Dehnungen. Zuvor bei der Voigt'schen Notation hat man jedoch gesehen, dass die Tensoren symmetrisch sind. Folglich muss auch dieser Elastizitätstensor symmetrisch sein. @@ -206,10 +385,12 @@ Mithilfe der Poissonzahl, welche uns die Querdehnung angibt, sprich wie viel sich der Körper in Querrichtung verformt und dem E-Modul kann man alle Konstanten ausdrücken. Bei einigen fällt auf, dass diese 0 werden. Der Tensor besagt also, dass diese jeweiligen Konstanten keinen Einfluss auf unsere Spannung haben. +Man sieht nun auch ganz gut, dass sich im Vergleich bei der allgemeinen Darstellung der Spannungsgleichung, +die Einträge verschoben haben. Man hat nun eine sehr vorteilhafte Anordnung der verschiedenen Blöcke im Tensor. Als Beispiel kann man sich $\sigma_{33}$ anschauen. Es ist ersichtlich, dass die Konstante $C_{31}$, $C_{32}$, $C_{33}$, $C_{35}$ und $C_{36}$ keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ haben. Dies kann wie folgt erklärt werden. Auf Achse 3 geht $\sigma_{33}$ in Richtung 3. -Der Einfluss von $C_{31}$, Achse 3 in Richtung 1 hat keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ +Der Einfluss von $C_{31}$, Achse 3 in Richtung 1 hat keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$. Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man nun die Inverse Matrix $\overline{\overline{C}}~^{-1}$ stellt sich die ganze Gleichung um. @@ -231,12 +412,12 @@ Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man nun die Inverse Matrix $\overline{\ove = \frac{1}{E} \begin{pmatrix} - 1 & -\nu & -\nu & 0 & 0 & 0\\ - -\nu & 1 & -\nu & 0 & 0 & 0\\ - -\nu & -\nu & 1 & 0 & 0 & 0\\ - 0 & 0 & 0 & 2+2\nu & 0 & 0\\ - 0 & 0 & 0 & 0 & 2+2\nu & 0\\ - 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 2+2\nu + 1 & -\nu & -\nu & 0 & 0 & 0 \\ + -\nu & 1 & -\nu & 0 & 0 & 0 \\ + -\nu & -\nu & 1 & 0 & 0 & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & 2+2\nu & 0 & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 2+2\nu & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 2+2\nu \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \sigma_{11}\\ -- cgit v1.2.1 From 17ada1bd9c8f385c037ab5348292c027380e3cde Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Andreas=20M=C3=BCller?= Date: Sun, 16 May 2021 20:44:40 +0200 Subject: Korrekturen um build zu garantieren --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 14 +++++++------- 1 file changed, 7 insertions(+), 7 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index 3db3e26..7dcf65f 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -95,7 +95,7 @@ sodass es einen Vektor ergibt. Elastizitätstensor 4. Stufe i,j,k,l $\in$ {1,2,3} \[ -\overline\overline{C} +\overline{\overline{C}} = C_{ijkl} = @@ -146,13 +146,13 @@ Allgemeine Spannungsgleichung (mit Vektoren und Tensor) \frac{E}{(1+\nu)(1-2\nu)} \begin{pmatrix} 1-2\nu & 0 & 0 & 0 & \nu & 0 & 0 & 0 & \nu \\ - 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ - 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 \\ - 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + 0 &\frac{1}{4} & 0 &\frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + 0 & 0 &\frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 &\frac{1}{4} & 0 & 0 \\ + 0 &\frac{1}{4} & 0 &\frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ \nu & 0 & 0 & 0 & 1-2\nu & 0 & 0 & 0 & \nu \\ - 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 \\ - 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & 0 \\ - 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & frac{1}{4} & 0 & frac{1}{4} & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 &\frac{1}{4} & 0 &\frac{1}{4} & 0 \\ + 0 & 0 &\frac{1}{4} & 0 & 0 & 0 &\frac{1}{4} & 0 & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & 0 & 0 &\frac{1}{4} & 0 &\frac{1}{4} & 0 \\ \nu & 0 & 0 & 0 & \nu & 0 & 0 & 0 & 1-2\nu \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -- cgit v1.2.1 From 46340ee2972d7f59bf87665fd93298a6a937f797 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "User-PC\\User" Date: Fri, 28 May 2021 15:06:26 +0200 Subject: =?UTF-8?q?=C3=9Cberarbeitungen=20/=20Verbesserungen?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 296 ++++++++++++++++++++++++----------------- 1 file changed, 174 insertions(+), 122 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index 7dcf65f..8be0bdc 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -1,9 +1,47 @@ \section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger_Spannungszustand}} -\rhead{Proportionalität Spannung-Dehnung} -Wie im Kapitel Spannungsausbreitung beschrieben herrscht in jedem Punkt ein anderer Spannungszustand. -Um die Spannung im Boden genauer untersuchen zu können, führt man einen infinitesimales Bodenteilchen ein. -Das Bodenteilchen ist geometrisch gesehen ein Würfel. -An diesem Bodenteilchen trägt man die Spannungen ein in alle Richtungen. +\rhead{Dreiachsiger Spannungszustand} +Durch komplexe Spannungsausbreitungen im Boden entstehen im 3D Spannungszustand unterschiedliche Normal- und Schubspannungen. +Ein Tensor 0.Stufe, sprich ein Skalar, kann lediglich den 1D Spannungszustand beschreiben. +Um den 3D Spannungszustandes als ein mathematisches Objekt darstellen zu können, wird ein Tensor 2.Stufe, sprich eine Matrix, eingesetzt. +Die Spannungen sind durch die zwei Indizes +\[ +i, j\in\left\{1, 2, 3\right\} +\] + +definiert. +Daher ergeben sich die 9 Spannungen. +Dieser Spannungstensor kann schliesslich mit $3^2$ Einträgen als 3x3 Matrix mit +\[ +\overline{\sigma} += +\sigma_{ij} += +\begin{pmatrix} + \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ + \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ + \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} +\end{pmatrix} +\] +dargestellt werden und beschreibt somit den gesamten Spannungszustand. +Die Dehnungen wirken adäquat zu den Spannungen und sind durch die zwei Indizes +\[ +k, l\in\left\{1, 2, 3\right\} +\] + +definiert. +Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2.Stufe und kann somit auch als $3\times3$ Matrix mit +\[ +\overline{\varepsilon} += +\varepsilon_{kl} += +\begin{pmatrix} + \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} & \varepsilon_{13} \\ + \varepsilon_{21} & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ + \varepsilon_{31} & \varepsilon_{32} & \varepsilon_{33} +\end{pmatrix} +\] +dargestellt werden und beschreibt den gesamten Dehnungszustand. \begin{figure} \centering @@ -12,23 +50,10 @@ An diesem Bodenteilchen trägt man die Spannungen ein in alle Richtungen. \label{fig:infintesimaler-wurfel} \end{figure} -An diesem infinitesimalen Bodenteilchen hat man ein räumliches Koordinatensystem, die Achsen $(1,2,3)$. -Die Achsen vom Koordinatensystem zeigen aus den 3 ersichtlichen Flächen heraus. -Pro ersichtliche Fläche haben wir eine Normalspannung und zwei Schubspannungen. -Im Gegensatz zum eindimensionalen Zustand entstehen bei einer Belastung des Bodenteilchens eine Vielzahl an Spannungen. -Es entstehen diverse Normal- und Schubspannungen. -Die Schubspannungen befinden sich an der Fläche, sie gehen rechtwinklig von den Achsen weg. -Die Schubspannungen auf einer Fläche stehen im 90 Grad Winkel zueinander. -Geschrieben werden diese mit $\sigma$, mit jeweils zwei Indizes. -Die Indizes geben uns an, in welche Richtung die Spannungen zeigen. -Der erste Index ist die Fläche auf welcher man sich befindet. -Der zweite Index gibt an, in welche Richtung die Spannung zeigt, dabei referenzieren die Indizes auch auf die Achsen $(1,2,3)$. -Bei den Spannungen sind immer positive als auch negative Spannungen möglich. -Es können also Druck- oder Zugspannungen sein. +Der Spannungs- und Dehnungstensor 2.Stufe kann je in einen Tensor 1. Stufe überführt werden, welches ein Spaltenvektor ist. +Gemäss der Hadamard-Algebra dürfen Zeile um Zeile in eine Spalte notiert werden, sodass es einen Spaltenvektor ergibt. +So ergibt sich der Spannungsvektor -Zunächst wird untenstehend der allgemeine Spannungszustand betrachtet. - -Spannungstensor 2. Stufe i,j $\in$ {1,2,3} \[ \overline{\sigma} = @@ -39,7 +64,6 @@ Spannungstensor 2. Stufe i,j $\in$ {1,2,3} \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} \end{pmatrix} -= \qquad \Rightarrow \qquad @@ -57,9 +81,7 @@ Spannungstensor 2. Stufe i,j $\in$ {1,2,3} \sigma_{33} \end{pmatrix} \] - -Dehnungstensor 2. Stufe k,l $\in$ {1,2,3} - +und Dehnungsvektor \[ \overline{\varepsilon} = @@ -70,7 +92,6 @@ Dehnungstensor 2. Stufe k,l $\in$ {1,2,3} \varepsilon_{21} & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ \varepsilon_{31} & \varepsilon_{32} & \varepsilon_{33} \end{pmatrix} -= \qquad \Rightarrow \qquad @@ -87,13 +108,22 @@ Dehnungstensor 2. Stufe k,l $\in$ {1,2,3} \varepsilon_{32} \\ \varepsilon_{33} \end{pmatrix} -\] +\]. -Bei diesen zwei obenstehenden Formeln kann man sehen wie Matrizen zu einem Vektor umgewandelt wurden. -Unter dem Kapitel Hadamard-Algebra kann man sehen, dass man dabei Zeile um Zeile in eine Spalte schreiben kann, -sodass es einen Vektor ergibt. +Um die Beziehung von Spannung und Dehnung, welche mit Tensoren 2.Stufen ausgedrückt werden, zu beschreiben, wird ein Elastizitätstensor 4.Stufe benötigt. +Dieser ist im 1D Spannungszustand ein Tensor 0.Stufe und somit ein Skalar. +Dieses Skalar ist das Elastizitätsmodul $E$. -Elastizitätstensor 4. Stufe i,j,k,l $\in$ {1,2,3} +Dieser Elastizitätstensor 4.Stufe kann als Tensor 2.Stufe, sprich als Matrix, dargestellt werden. +So wird die Spannungsgleichung stark vereinfacht, da nun ein Vektor mit einer Matrix operiert. +Dieser Tensor muss für eine Spannung jeden Einfluss aus allen 9 Dehnungen mit Konstanten erfassen. +Dies bedeutet um eine von 9 Spannungen berechnen zu können müssen alle 9 Dehnung mit unterschiedlichen Faktoren summiert werden. +Es ergeben sich $9^2$ Einträge, welches mit den 4 Indizes +\[ +i, j, k, l\in\left\{1, 2, 3\right\} +\] +, die zueinander verknüpft werden müssen, zu begründen ist. +Es ergeben sich $3^4$ Einträge, sprich eine $9\times9$ Matrix, welche allgemein mit \[ \overline{\overline{C}} = @@ -104,32 +134,51 @@ C_{1111} & C_{1112} & C_{1113} & C_{1121} & C_{1122} & C_{1123} & C_{1131} & C_{ C_{1211} & C_{1212} & C_{1213} & C_{1221} & C_{1222} & C_{1223} & C_{1231} & C_{1232} & C_{1233} \\ C_{1311} & C_{1312} & C_{1313} & C_{1321} & C_{1322} & C_{1323} & C_{1331} & C_{1332} & C_{1333} \\ C_{2111} & C_{2112} & C_{2113} & C_{2121} & C_{2122} & C_{2123} & C_{2131} & C_{2132} & C_{2133} \\ -C_{2211} & C_{2212} & C_{1113} & C_{2221} & C_{2222} & C_{2223} & C_{2231} & C_{2232} & C_{2233} \\ +C_{2211} & C_{2212} & C_{2213} & C_{2221} & C_{2222} & C_{2223} & C_{2231} & C_{2232} & C_{2233} \\ C_{2311} & C_{2312} & C_{2313} & C_{2321} & C_{2322} & C_{2323} & C_{2331} & C_{2332} & C_{2333} \\ C_{3111} & C_{3112} & C_{3113} & C_{3121} & C_{3122} & C_{3123} & C_{3131} & C_{3132} & C_{3133} \\ C_{3211} & C_{3212} & C_{3213} & C_{3221} & C_{3222} & C_{3223} & C_{3231} & C_{3232} & C_{3233} \\ C_{3311} & C_{3312} & C_{3313} & C_{3321} & C_{3322} & C_{3323} & C_{3331} & C_{3332} & C_{3333} \end{pmatrix} \] - -Dieser Elastizitätstensor muss eine quadratische Matrix mit $3^{4}$ Einträgen ergeben, -da die Basis mit den drei Richtungen $1, 2, 3$ und die Potenz mit den 4 Indizes mit je $1, 2, 3$ definiert sind. -Dies gibt daher eine 9 x 9 Matrix, welche zudem symmetrisch ist. - +ausgedrückt wird. +Dieser Elastizitätstensor muss für isotrope Materialien zwingend symmetrisch sein. Folglich gilt: \[ \overline{\overline{C}} = \overline{\overline{C}}~^{T} -\] +\]. -Allgemeine Spannungsgleichung (mit Vektoren und Tensor) +Die allgemeine Spannungsgleichung lautet nun: \[ \vec\sigma = \overline{\overline{C}}\cdot\vec{\varepsilon} -\] +\]. +Die Konstanten $C$ werden nun nach dem Hook'schen Gesetz mit Hilfe des Elastizitätsmoduls $E$ definiert. +Da dieser Modul durch die eindimensionale Betrachtung definiert ist muss eine weitere Kennzahl eingeführt werden. +Dies ist die Querdehnungszahl $\nu$ (auch Poisson-Zahl), welche mit +\[ +\nu += +\frac{\varepsilon_q}{\varepsilon} += +\frac{\Delta b}{b_0} +\] +und +\[ +\varepsilon += +\text{Längsdehnung [$-$]} +\] +\[ +\varepsilon_q += +\text{Querdehnung [$-$]} +\] +definiert ist. Trägt man die Konstanten in die Matrix ein ergibt sich \[ \begin{pmatrix} \sigma_{11}\\ @@ -168,32 +217,61 @@ Allgemeine Spannungsgleichung (mit Vektoren und Tensor) \end{pmatrix} \] -Man kann das zudem auch als Indexnotation aufschreiben. - +, welche ebenfalls als Indexnotation mit \[ \sigma_{ij} = -= -\sum_k=1^3 -\sum_l=1^3 +\sum_{k=1}^3 +\sum_{l=1}^3 C_{ijkl}\cdot\varepsilon_{kl} \] - -Um die Berechnung an einem Beispiel zu veranschaulichen: +ausgedrückt werden können. +Die Normalspannung $\sigma_{11}$ lässt sich exemplarisch mit \[ \sigma_{22} = \frac{E\cdot\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}\cdot\varepsilon_{11}+\frac{E}{(1+\nu)}\cdot\varepsilon_{22}+\frac{E\cdot\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}\cdot\varepsilon_{33} \] +berechnen. -Anhand dem Tensor der allgemeinen Spannungsgleichung kann man zwar eine Symmetrie erkennen. -Die verschiedenen Einträge wechseln sich aber mit einander ab und es gibt keine klaren Blöcke mit nur einem gleichen Eintrag. -Man greift deshalb auf die Voigt'sche Notation zurück. - - -Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: +Man betrachte nun die Eigenschaften des Elastizitätstensors. +Dieser ist quadratisch und symmetrisch, die verschiedenen Einträge wechseln sich aber miteinander ab. +Es ergeben sich keine Blöcke mit einheitlichen Einträgen. +Allerdings weiss man, dass im isotropen Boden der Spannungs-, Dehnungs- und daher auch Elastizitätstensor symmetrisch sind. +Wäre dem nicht so, würde sich das Material je nach Richtung unterschiedlich elastisch verhalten. +Diese Symmetrie setzt daher voraus, dass +\[ +\sigma_{12} += +\sigma_{21} +, +\sigma_{13} += +\sigma_{31} +, +\sigma_{23} += +\sigma_{32} +\] +und folglich auch +\[ +\varepsilon_{12} += +\varepsilon_{21} +, +\varepsilon_{13} += +\varepsilon_{31} +, +\varepsilon_{23} += +\varepsilon_{32} +\] +gilt. +Diese Eigenschaft wird durch die Voigt'sche Notation ausgenutzt um die Gleichung vereinfachen zu können. +Durch diese Symmetrie gilt \[ \overline{\sigma} = @@ -208,7 +286,9 @@ Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ sym & & \sigma_{33} \end{pmatrix} +\qquad \Rightarrow +\qquad \vec{\sigma} = \begin{pmatrix} @@ -220,22 +300,7 @@ Zur Notation wird die Voigt'sche Notation benutzt. Das sieht wie folgt aus: \sigma_{12} \end{pmatrix} \] - -In der Voigt'sche Notation hat man die Reihenfolge von der Ecke links oben, diagonal zur Ecke rechts unten. -Danach ist noch $\sigma_{23}$, $\sigma_{13}$ und $\sigma_{12}$ aufzuschreiben um den Vektor zu erhalten. - -Eine weitere Besonderheit ist die Symmetrie der Matrix. -So entspricht $\sigma_{23}$ dem Wert $\sigma_{32}$ und $\sigma_{13}$ dem Wert $\sigma_{31}$. -Dies ist dadurch bedingt, dass die Kräfte in seitlicher Richtung im Boden die gleichen Werte annehmen. -Man hat in dieser Berechnung ein isotropes Material. -Im infinitesimalen Körper muss ein Gleichgewicht vorherrschen. -Ist kein Gleichgewicht vorhanden, würde sich der Körper zu drehen beginnen. -Es macht somit keinen Unterschied, ob man auf der Achse 2 in Richtung 3 geht, -oder auf der Achse 3 in Richtung 2. - -Da die Spannung proportional zur Dehnung ist, kann man die ganze Voigt'sche Notation auch mit der Dehnung ausdrücken. -Auch hier wandelt man das ganze gemäss der Reihenfolge in einen Vektor um. - +und entsprechend \[ \overline{\varepsilon} = @@ -247,7 +312,7 @@ Auch hier wandelt man das ganze gemäss der Reihenfolge in einen Vektor um. = \begin{pmatrix} \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} & \varepsilon_{13} \\ - & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ + & \varepsilon_{22} & \varepsilon_{23} \\ \text{sym} & & \varepsilon_{33} \end{pmatrix} \qquad @@ -263,31 +328,17 @@ Auch hier wandelt man das ganze gemäss der Reihenfolge in einen Vektor um. \varepsilon_{13} \\ \varepsilon_{12} \end{pmatrix} -\] +\]. - -Mit der hergeleiteten Beziehung für die Spannungsgleichung anhand vom E-Modul, -der allgemeinen linearen Spannungsgleichung kann man diese Beziehungen neu aufschreiben. -Man benötigt dazu den zuvor berechneten Dehnungsvektor. -Die Gleichung besagt: -\[ -\text{Spannungsvektor} -= -\text{Elastizitätstensor}\cdot\text{Dehnungsvektor} -\] +Aus den Vereinfachungen der Voigt'schen Notation lassen sich die Spannungs- und Dehnungstensoren als Spaltenvektoren mit je 6 Einträgen darstellen. +Der Elastizitätstensor kann entsprechend auf eine $6\times6$ Matrix reduziert werden. +Es lässt sich nun eine reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit \[ \vec{\sigma} = \overline{\overline{C}}\cdot\vec{\varepsilon} \] - -Die Vektoren haben je 6 Einträge. Um das ganze auszudrücken braucht es einen 6 x 6 Elastizitätstensor. -Der Tensor hat sich also im Vergleich zum 9 x 9 Tensor verkleinert. -Dies ist deshalb der Fall, da man in den Achsen 2 und 3 Symmetrien hat. -Dadurch kann man die Einträge $(\varepsilon_{21}=\varepsilon_{12}; \varepsilon_{31}=\varepsilon_{13}; \varepsilon_{32}=\varepsilon_{23})$ -zusammenfassen und drei Einträge verschwinden, da drei Dehnungen gleich sind. -Das ganze sieht dann wie folgt aus: - +beziehungsweise \[ \begin{pmatrix} \sigma_{11} \\ @@ -315,11 +366,10 @@ Das ganze sieht dann wie folgt aus: \varepsilon_{12} \end{pmatrix} \] - -Die Spannung $\sigma_{11}$ besteht somit aus Anteilen von all diesen sechs Konstanten und den verschiedenen Dehnungen. -Zuvor bei der Voigt'schen Notation hat man jedoch gesehen, dass die Tensoren symmetrisch sind. -Folglich muss auch dieser Elastizitätstensor symmetrisch sein. -Das sind folgendermassen aus: +beschreiben. +Die Spannung $\sigma_{11}$ beispielsweise besteht so aus der Summe aller 6 Produkte der Konstanten $C$ und Dehnungen $\varepsilon$. +Die Symmetrieeigenschaft des Elastizitätstensors bleibt auch hier erhalten. +Nun lässt sich die reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit \[ \begin{pmatrix} @@ -348,9 +398,9 @@ Das sind folgendermassen aus: \varepsilon_{12} \end{pmatrix} \] - -Die Konstanten $C$ kann man nun anders ausdrücken. -Und zwar bewerkstelligt man dies mithilfe vom Hook'schen Gesetz. +beschreiben. +Die Konstanten $C$ und $\nu$ werden wieder nach dem Hook'schen Gesetz definiert. +Dies ergibt die Spannungsgleichung, welche weit möglichst vereinfacht ist: \[ \begin{pmatrix} @@ -379,25 +429,25 @@ Und zwar bewerkstelligt man dies mithilfe vom Hook'schen Gesetz. \varepsilon_{13}\\ \varepsilon_{12} \end{pmatrix} -\] +\]. -Mithilfe der Poissonzahl, welche uns die Querdehnung angibt, -sprich wie viel sich der Körper in Querrichtung verformt und dem E-Modul kann man alle Konstanten ausdrücken. -Bei einigen fällt auf, dass diese 0 werden. Der Tensor besagt also, +Im Elastizitätstensor fallen zwei $3\times3$ Blöcke auf, welche nur Einträge mit $0$ haben. Der Tensor besagt also, dass diese jeweiligen Konstanten keinen Einfluss auf unsere Spannung haben. -Man sieht nun auch ganz gut, dass sich im Vergleich bei der allgemeinen Darstellung der Spannungsgleichung, -die Einträge verschoben haben. Man hat nun eine sehr vorteilhafte Anordnung der verschiedenen Blöcke im Tensor. -Als Beispiel kann man sich $\sigma_{33}$ anschauen. -Es ist ersichtlich, dass die Konstante $C_{31}$, $C_{32}$, $C_{33}$, $C_{35}$ und $C_{36}$ keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ haben. -Dies kann wie folgt erklärt werden. Auf Achse 3 geht $\sigma_{33}$ in Richtung 3. -Der Einfluss von $C_{31}$, Achse 3 in Richtung 1 hat keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$. +Man sieht nun auch ganz gut, dass sich im Vergleich zu der allgemeinen Spannungsgleichung, die Einträge verschoben haben. +Da nach Voigt zuerst die Normalspannungen und anschliessend die Schubspannungen notiert worden sind, ergeben sich die $3\times3$ Blöcke. + +Man betrachte als Beispiel die Berechnung von $\sigma_{33}$. +Es ist ersichtlich, dass die Schubdehnungen keinen Einfluss auf $\sigma_{33}$ haben. +Der Einfluss der zu $\sigma_{33}$ äquivalenten Dehnung $\varepsilon_{33}$ hat den grössten Einfluss. +Die anderen Normalspannungen $\sigma_{11}$ und $\sigma_{22}$ haben einen unter anderem mit $\nu$ korrigierten Einfluss. -Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man nun die Inverse Matrix $\overline{\overline{C}}~^{-1}$ stellt sich die ganze Gleichung um. +Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man noch die inverse Matrix $\overline{\overline{C}}\mathstrut^{-1}$ um die Gleichung umstellen zu können. +Dadurch erhält man die Dehnungsgleichung: \[ \vec{\varepsilon} = -\overline{\overline{C}}~^{-1}\cdot \vec{\sigma} +\overline{\overline{C}}\mathstrut^{-1}\cdot \vec{\sigma} \] \[ @@ -427,25 +477,27 @@ Von $\overline{\overline{C}}$ bildet man nun die Inverse Matrix $\overline{\ove \sigma_{13}\\ \sigma_{12} \end{pmatrix} -\] - -Die zwei Blöcke links unten und rechts oben sind immer noch vorhanden. -Im Vergleich wo wir die Inverse noch nicht gemacht haben hat sich das nicht geändert. -Um die Einflüsse der Parameter zu veranschaulichen schreibt man folgende Gleichung. +\]. +Die zwei $3\times3$ Blöcke links unten und rechts oben sind folglich noch vorhanden. +Um wieder die Einflüsse der Parameter veranschaulichen zu können berechnet man mit \[ \varepsilon_{22} = \frac{1}{E}\sigma_{22} - \frac{\nu}{E}\sigma_{11} - \frac{\nu}{E}\sigma_{33} += +\frac{1}{E}\cdot(\sigma_{22}-\nu\cdot\sigma_{11}-\nu\cdot\sigma_{33}) \] -$\varepsilon_{22}$ beschreibt die Dehnung in Achse 2 und in Richtung 2. -In erster Linie hängt $\varepsilon_{22}$ von $\sigma_{22}$ ab. -Wenn die Poisson - Zahl grösser wird oder $\sigma_{11}$ oder $\sigma_{33}$, dann wird dadurch die Dehnung $\varepsilon_{22}$ kleiner. -Das heisst, auf Kosten von Verformung in anderer Richtung als Achse 2 Richtung 2 erfolgt die Verformung an anderer Stelle. -Wiederum hat die Schubspannung auf $\sigma_{11}$ keinen Einfluss. +die Dehnung $\varepsilon_{22}$. +Diese hängt wieder am meisten von $\sigma_{22}$ ab. +Ist die Querdehnung $\nu$ grösser, so wird die Dehnung $\varepsilon_{22}$ reduziert. +Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich +\[ +\nu += +0.5 +\]. + -Nun kennt man die Beziehung der 6 Dehnungen mit den 6 Spannungen. -In der Geotechnik wäre das aufgrund der vielen Komponenten sehr umständlich um damit Berechnungen zu machen. -Es braucht daher eine Vereinfachung mit Invarianten, welche im nächsten Kapitel beschrieben sind. -- cgit v1.2.1 From 401325ee8d395ec4de27f4dcede73e860f3e28a8 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: "User-PC\\User" Date: Mon, 31 May 2021 10:47:48 +0200 Subject: =?UTF-8?q?=C3=9Cberarbeitung=20und=20Verbesserung=20der=20Kapitel?= =?UTF-8?q?=20Bearbeitung=20Literaturverzeichnis=20(im=20Literaturverzeich?= =?UTF-8?q?nis=20noch=20nicht=20alles=20korrekt)?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 156 +++++++++++++++++++---------------------- 1 file changed, 72 insertions(+), 84 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index 8be0bdc..afd2c21 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -1,16 +1,22 @@ \section{Dreiachsiger Spannungszustand\label{spannung:section:Dreiachsiger_Spannungszustand}} \rhead{Dreiachsiger Spannungszustand} Durch komplexe Spannungsausbreitungen im Boden entstehen im 3D Spannungszustand unterschiedliche Normal- und Schubspannungen. -Ein Tensor 0.Stufe, sprich ein Skalar, kann lediglich den 1D Spannungszustand beschreiben. -Um den 3D Spannungszustandes als ein mathematisches Objekt darstellen zu können, wird ein Tensor 2.Stufe, sprich eine Matrix, eingesetzt. +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=0.4\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWuerfel.png} + \caption{Beispiel eines Spannungszustandes; Vergrösserung eines infinitesimalen Bodenteilchen} + \label{fig:infinitesimalerWuerfel} +\end{figure} +Ein Tensor 0. Stufe, sprich ein Skalar, kann lediglich den 1D Spannungszustand beschreiben. +Um den 3D Spannungszustandes als ein mathematisches Objekt darstellen zu können, wird ein Tensor 2. Stufe, sprich eine Matrix, eingesetzt. Die Spannungen sind durch die zwei Indizes \[ i, j\in\left\{1, 2, 3\right\} \] - definiert. -Daher ergeben sich die 9 Spannungen. -Dieser Spannungstensor kann schliesslich mit $3^2$ Einträgen als 3x3 Matrix mit +Daher ergeben sich die neun Spannungen. +Die nachfolgenden Zusammenhänge sind in \cite{spannung:Voigtsche Notation} beschrieben. +Dieser Spannungstensor kann schliesslich mit $3^2$ Einträgen als $3\times3$ Matrix mit \[ \overline{\sigma} = @@ -23,13 +29,12 @@ Dieser Spannungstensor kann schliesslich mit $3^2$ Einträgen als 3x3 Matrix mit \end{pmatrix} \] dargestellt werden und beschreibt somit den gesamten Spannungszustand. -Die Dehnungen wirken adäquat zu den Spannungen und sind durch die zwei Indizes +Die Dehnungen wirken in die gleichen Richtungen wie die korrespondierenden Spannungen und sind durch die zwei Indizes \[ k, l\in\left\{1, 2, 3\right\} \] - definiert. -Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2.Stufe und kann somit auch als $3\times3$ Matrix mit +Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2. Stufe und kann somit auch als $3\times3$ Matrix mit \[ \overline{\varepsilon} = @@ -43,14 +48,7 @@ Der Dehnungstensor ist ebenfalls ein Tensor 2.Stufe und kann somit auch als $3\t \] dargestellt werden und beschreibt den gesamten Dehnungszustand. -\begin{figure} - \centering - \includegraphics[width=0.5\linewidth,keepaspectratio]{papers/spannung/Grafiken/infinitesimalerWuerfel.png} - \caption{Infinitesimales Bodenteilchen} - \label{fig:infintesimaler-wurfel} -\end{figure} - -Der Spannungs- und Dehnungstensor 2.Stufe kann je in einen Tensor 1. Stufe überführt werden, welches ein Spaltenvektor ist. +Der Spannungs- und Dehnungstensor 2. Stufe kann je in einen Tensor 1. Stufe überführt werden, welches ein Spaltenvektor ist. Gemäss der Hadamard-Algebra dürfen Zeile um Zeile in eine Spalte notiert werden, sodass es einen Spaltenvektor ergibt. So ergibt sich der Spannungsvektor @@ -108,22 +106,22 @@ und Dehnungsvektor \varepsilon_{32} \\ \varepsilon_{33} \end{pmatrix} -\]. - -Um die Beziehung von Spannung und Dehnung, welche mit Tensoren 2.Stufen ausgedrückt werden, zu beschreiben, wird ein Elastizitätstensor 4.Stufe benötigt. -Dieser ist im 1D Spannungszustand ein Tensor 0.Stufe und somit ein Skalar. -Dieses Skalar ist das Elastizitätsmodul $E$. +. +\] +Um die Beziehung von Spannung und Dehnung, welche mit Tensoren 2. Stufe ausgedrückt werden, zu beschreiben, wird ein Elastizitätstensor 4. Stufe benötigt. +Dieser ist im 1D Spannungszustand ein Tensor 0. Stufe und somit ein Skalar, der Elastizitätsmodul $E$. -Dieser Elastizitätstensor 4.Stufe kann als Tensor 2.Stufe, sprich als Matrix, dargestellt werden. -So wird die Spannungsgleichung stark vereinfacht, da nun ein Vektor mit einer Matrix operiert. +Dieser Elastizitätstensor 4. Stufe kann als Tensor 2. Stufe, sprich als Matrix, dargestellt werden. +So wird die Spannungsgleichung stark vereinfacht, da nun eine Matrix auf einen Vektor operiert. Dieser Tensor muss für eine Spannung jeden Einfluss aus allen 9 Dehnungen mit Konstanten erfassen. Dies bedeutet um eine von 9 Spannungen berechnen zu können müssen alle 9 Dehnung mit unterschiedlichen Faktoren summiert werden. Es ergeben sich $9^2$ Einträge, welches mit den 4 Indizes \[ i, j, k, l\in\left\{1, 2, 3\right\} +, \] -, die zueinander verknüpft werden müssen, zu begründen ist. -Es ergeben sich $3^4$ Einträge, sprich eine $9\times9$ Matrix, welche allgemein mit +die zueinander verknüpft werden müssen, zu begründen ist. +Es ergeben sich $3^4$ Einträge, sprich eine $9\times9$ Matrix, welche allgemein \[ \overline{\overline{C}} = @@ -141,25 +139,26 @@ C_{3211} & C_{3212} & C_{3213} & C_{3221} & C_{3222} & C_{3223} & C_{3231} & C_{ C_{3311} & C_{3312} & C_{3313} & C_{3321} & C_{3322} & C_{3323} & C_{3331} & C_{3332} & C_{3333} \end{pmatrix} \] -ausgedrückt wird. +geschrieben werden kann. Dieser Elastizitätstensor muss für isotrope Materialien zwingend symmetrisch sein. Folglich gilt: \[ \overline{\overline{C}} = \overline{\overline{C}}~^{T} -\]. - +. +\] Die allgemeine Spannungsgleichung lautet nun: \[ \vec\sigma = \overline{\overline{C}}\cdot\vec{\varepsilon} -\]. - +. +\] Die Konstanten $C$ werden nun nach dem Hook'schen Gesetz mit Hilfe des Elastizitätsmoduls $E$ definiert. -Da dieser Modul durch die eindimensionale Betrachtung definiert ist muss eine weitere Kennzahl eingeführt werden. -Dies ist die Querdehnungszahl $\nu$ (auch Poisson-Zahl), welche mit +Da dieser Modul durch die eindimensionale Betrachtung definiert ist, +muss für die dreidimensionale Betrachtung eine weitere Kennzahl eingeführt werden. +Dies ist die Querdehnungszahl $\nu$ (auch Poisson-Zahl), welche durch \[ \nu = @@ -168,17 +167,11 @@ Dies ist die Querdehnungszahl $\nu$ (auch Poisson-Zahl), welche mit \frac{\Delta b}{b_0} \] und -\[ -\varepsilon -= -\text{Längsdehnung [$-$]} -\] -\[ -\varepsilon_q -= -\text{Querdehnung [$-$]} -\] -definiert ist. Trägt man die Konstanten in die Matrix ein ergibt sich +\begin{align*} + \varepsilon &= \text{Längsdehnung [$-$]} \\ + \varepsilon_q &= \text{Querdehnung [$-$]} +\end{align*} +definiert ist. Trägt man die Konstanten in die Matrix ein, ergibt sich \[ \begin{pmatrix} \sigma_{11}\\ @@ -215,9 +208,9 @@ definiert ist. Trägt man die Konstanten in die Matrix ein ergibt sich \varepsilon_{32} \\ \varepsilon_{33} \end{pmatrix} +, \] - -, welche ebenfalls als Indexnotation mit +welche ebenfalls als Indexnotation mit \[ \sigma_{ij} = @@ -225,9 +218,8 @@ definiert ist. Trägt man die Konstanten in die Matrix ein ergibt sich \sum_{l=1}^3 C_{ijkl}\cdot\varepsilon_{kl} \] -ausgedrückt werden können. -Die Normalspannung $\sigma_{11}$ lässt sich exemplarisch mit - +ausgedrückt werden kann. +Die Normalspannung $\sigma_{22}$ lässt sich exemplarisch als \[ \sigma_{22} = @@ -247,10 +239,12 @@ Diese Symmetrie setzt daher voraus, dass = \sigma_{21} , +\qquad \sigma_{13} = \sigma_{31} , +\qquad \sigma_{23} = \sigma_{32} @@ -261,16 +255,18 @@ und folglich auch = \varepsilon_{21} , +\qquad \varepsilon_{13} = \varepsilon_{31} , +\qquad \varepsilon_{23} = \varepsilon_{32} \] gilt. -Diese Eigenschaft wird durch die Voigt'sche Notation ausgenutzt um die Gleichung vereinfachen zu können. +Diese Eigenschaft wird durch die Voigt'sche Notation \cite{spannung:Voigtsche Notation} ausgenutzt, um die Gleichung vereinfachen zu können. Durch diese Symmetrie gilt \[ \overline{\sigma} @@ -284,7 +280,7 @@ Durch diese Symmetrie gilt \begin{pmatrix} \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ - sym & & \sigma_{33} + \text{sym} & & \sigma_{33} \end{pmatrix} \qquad \Rightarrow @@ -328,9 +324,10 @@ und entsprechend \varepsilon_{13} \\ \varepsilon_{12} \end{pmatrix} -\]. +. +\] -Aus den Vereinfachungen der Voigt'schen Notation lassen sich die Spannungs- und Dehnungstensoren als Spaltenvektoren mit je 6 Einträgen darstellen. +Aus den Vereinfachungen der Voigt'schen Notation lassen sich die Spannungs- und Dehnungstensoren als Spaltenvektoren mit je sechs Einträgen darstellen. Der Elastizitätstensor kann entsprechend auf eine $6\times6$ Matrix reduziert werden. Es lässt sich nun eine reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit \[ @@ -350,12 +347,12 @@ beziehungsweise \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} - C_{11} & C_{12} & C_{13} & C_{14} & C_{15} & C_{16} \\ - C_{21} & C_{22} & C_{23} & C_{24} & C_{25} & C_{26} \\ - C_{31} & C_{32} & C_{33} & C_{34} & C_{35} & C_{36} \\ - C_{41} & C_{42} & C_{43} & C_{44} & C_{45} & C_{46} \\ - C_{51} & C_{52} & C_{53} & C_{54} & C_{55} & C_{56} \\ - C_{61} & C_{62} & C_{63} & C_{64} & C_{65} & C_{66} + C_{1111} & C_{1122} & C_{1133} & C_{1123} & C_{1113} & C_{1112} \\ + C_{2211} & C_{2222} & C_{2233} & C_{2223} & C_{2213} & C_{2212} \\ + C_{3311} & C_{3322} & C_{3333} & C_{3323} & C_{3313} & C_{3312} \\ + C_{2311} & C_{2322} & C_{2333} & C_{2323} & C_{2313} & C_{2312} \\ + C_{1311} & C_{1322} & C_{1333} & C_{1323} & C_{1313} & C_{1312} \\ + C_{1211} & C_{1222} & C_{1233} & C_{1223} & C_{1213} & C_{1212} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \varepsilon_{11} \\ @@ -367,9 +364,9 @@ beziehungsweise \end{pmatrix} \] beschreiben. -Die Spannung $\sigma_{11}$ beispielsweise besteht so aus der Summe aller 6 Produkte der Konstanten $C$ und Dehnungen $\varepsilon$. +Die Spannung $\sigma_{11}$ beispielsweise erhält man, wenn man die sechs Produkte aus den Konstanten $C$ und Dehnungen $\varepsilon$ summiert. Die Symmetrieeigenschaft des Elastizitätstensors bleibt auch hier erhalten. -Nun lässt sich die reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit +Somit lässt sich die reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit \[ \begin{pmatrix} @@ -382,12 +379,12 @@ Nun lässt sich die reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} - C_{11} & C_{12} & C_{13} & C_{14} & C_{15} & C_{16} \\ - & C_{22} & C_{23} & C_{24} & C_{25} & C_{26} \\ - & & C_{33} & C_{34} & C_{35} & C_{36} \\ - & & & C_{44} & C_{45} & C_{46} \\ - & & & & C_{55} & C_{56} \\ - \text{sym} & & & & & C_{66} + C_{1111} & C_{1122} & C_{1133} & C_{1123} & C_{1113} & C_{1112} \\ + & C_{2222} & C_{2233} & C_{2223} & C_{2213} & C_{2212} \\ + & & C_{3333} & C_{3323} & C_{3313} & C_{3312} \\ + & & & C_{2323} & C_{2313} & C_{2312} \\ + & & & & C_{1313} & C_{1312} \\ + \text{sym} & & & & & C_{1212} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \varepsilon_{11} \\ @@ -399,9 +396,8 @@ Nun lässt sich die reduzierte allgemeine Spannungsgleichung mit \end{pmatrix} \] beschreiben. -Die Konstanten $C$ und $\nu$ werden wieder nach dem Hook'schen Gesetz definiert. +Die Konstanten $C$ werden wieder nach dem Hook'schen Gesetz definiert. Dies ergibt die Spannungsgleichung, welche weit möglichst vereinfacht ist: - \[ \begin{pmatrix} \sigma_{11}\\ @@ -429,10 +425,11 @@ Dies ergibt die Spannungsgleichung, welche weit möglichst vereinfacht ist: \varepsilon_{13}\\ \varepsilon_{12} \end{pmatrix} -\]. +. +\] Im Elastizitätstensor fallen zwei $3\times3$ Blöcke auf, welche nur Einträge mit $0$ haben. Der Tensor besagt also, -dass diese jeweiligen Konstanten keinen Einfluss auf unsere Spannung haben. +dass diese jeweiligen Dehnungen keinen Einfluss auf unsere Spannung haben. Man sieht nun auch ganz gut, dass sich im Vergleich zu der allgemeinen Spannungsgleichung, die Einträge verschoben haben. Da nach Voigt zuerst die Normalspannungen und anschliessend die Schubspannungen notiert worden sind, ergeben sich die $3\times3$ Blöcke. @@ -477,27 +474,18 @@ Dadurch erhält man die Dehnungsgleichung: \sigma_{13}\\ \sigma_{12} \end{pmatrix} -\]. - +. +\] Die zwei $3\times3$ Blöcke links unten und rechts oben sind folglich noch vorhanden. -Um wieder die Einflüsse der Parameter veranschaulichen zu können berechnet man mit +Um wieder die Einflüsse der Parameter veranschaulichen zu können berechnet man die Dehnung \[ \varepsilon_{22} = \frac{1}{E}\sigma_{22} - \frac{\nu}{E}\sigma_{11} - \frac{\nu}{E}\sigma_{33} = \frac{1}{E}\cdot(\sigma_{22}-\nu\cdot\sigma_{11}-\nu\cdot\sigma_{33}) +. \] - -die Dehnung $\varepsilon_{22}$. Diese hängt wieder am meisten von $\sigma_{22}$ ab. Ist die Querdehnung $\nu$ grösser, so wird die Dehnung $\varepsilon_{22}$ reduziert. -Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich -\[ -\nu -= -0.5 -\]. - - - +Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich $\nu=0.5$. \ No newline at end of file -- cgit v1.2.1 From b70156cbf2d76d1850ddd1fc6f58e79bdc5c5203 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Andreas=20M=C3=BCller?= Date: Wed, 2 Jun 2021 07:53:42 +0200 Subject: Makefile in clifford, references in spannung --- buch/papers/spannung/teil2.tex | 6 +++--- 1 file changed, 3 insertions(+), 3 deletions(-) (limited to 'buch/papers/spannung/teil2.tex') diff --git a/buch/papers/spannung/teil2.tex b/buch/papers/spannung/teil2.tex index afd2c21..921d2b8 100644 --- a/buch/papers/spannung/teil2.tex +++ b/buch/papers/spannung/teil2.tex @@ -15,7 +15,7 @@ i, j\in\left\{1, 2, 3\right\} \] definiert. Daher ergeben sich die neun Spannungen. -Die nachfolgenden Zusammenhänge sind in \cite{spannung:Voigtsche Notation} beschrieben. +Die nachfolgenden Zusammenhänge sind in \cite{spannung:Voigtsche-Notation} beschrieben. Dieser Spannungstensor kann schliesslich mit $3^2$ Einträgen als $3\times3$ Matrix mit \[ \overline{\sigma} @@ -266,7 +266,7 @@ und folglich auch \varepsilon_{32} \] gilt. -Diese Eigenschaft wird durch die Voigt'sche Notation \cite{spannung:Voigtsche Notation} ausgenutzt, um die Gleichung vereinfachen zu können. +Diese Eigenschaft wird durch die Voigt'sche Notation \cite{spannung:Voigtsche-Notation} ausgenutzt, um die Gleichung vereinfachen zu können. Durch diese Symmetrie gilt \[ \overline{\sigma} @@ -488,4 +488,4 @@ Um wieder die Einflüsse der Parameter veranschaulichen zu können berechnet man \] Diese hängt wieder am meisten von $\sigma_{22}$ ab. Ist die Querdehnung $\nu$ grösser, so wird die Dehnung $\varepsilon_{22}$ reduziert. -Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich $\nu=0.5$. \ No newline at end of file +Bei inkompressiblen Medien, bei welchen keine Dehnungen und nur identische Normalspannungen auftreten können, ist folglich $\nu=0.5$. -- cgit v1.2.1