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