Influence of filling material on bending responce of steel sandwich structure
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Author
Date
2010
Department
Major/Subject
Laivanrakennusoppi
Mcode
Kul-24
Degree programme
Language
fi
Pages
[8] + 58
Series
Abstract
Ship industry seeks continuously new innovative solutions for construction problems which arise in novel ship concept designs. The modern concept designs demand lighter structures which have to fulfil the strength condition at the same time. One advantageous solution is to replace stiffened plates with composite structures such as sandwich panels. Sandwich panels are composed of face plates which are separated by different core materials and topologies. The scope of this work was to formulate the transversal lateral shear stiffness of the steel web-core sandwich panel with filling material, and to investigate the primary and local secondary responses. The calculation model was derived by using ordinary bending theory, thick face plate's sandwich beam theory and the energy method. The web-core sandwich panel was analyzed as a periodic sandwich beam which was constructed from a set of unit cells, and a unit cell was idealized to determine vertical and horizontal deflections which were used to derive a transversal lateral shear stiffness of the web-core sandwich beam. The transformation of the periodic sandwich beam into an equivalent homogeneous sandwich beam was performed by stiffness parameters. The homogenous sandwich beam was needed to evaluate the deflection, bending moment and shear force distributions. Then the secondary response was able to be analyzed by reconsidering the periodic structure of the beam. The calculation model was validated with FE-analysis and the validation was performed by considering five different cases where the mechanical properties of the cell were changed with different dimensions of the cell and densities of the filler (Divinyeell H). Deflections of the homogenized sandwich beam and the stress distributions of the calculation model were compared with the results of FE-analysis and agreements between deflections and distributions were found to be good and the accuracy of the shear stiffness of the cell in every case was found to be good as well. The maximum values of the normal stress on the face plates were significantly decreased by the filling material. Increasing the density of the filler the values of normal stress decreased more. Furthermore, the bending stiffness of the steel web-core sandwich structure can be increased with filling material without the significant weight increase. The good weight-bending ratio could be achieved by using thin face plates to construct steel web-core sandwich structures.Laivanrakennusteollisuus hakee jatkuvasti uusia innovatiivisia rakenneratkaisuja, joiden halutaan olevan keveitä, mutta samalla täyttävän lujuuskriteerit. Hyvänä ratkaisuvaihtoehtona ovat täysteräksiset täytetyt kerroslevypaneelit, jotka soveltuvat laivan rakenteissa sekundääristen rakenteiden elementeiksi. Elementti koostuu kahdesta pintalevystä ja ytimestä, joka voi muodostua eri materiaaleista ja topologioista. Tämän työn tavoitteena oli määrittää täytetyn 1-tyypin teräskennorakenteen epäjatkuvan suunnan leikkausjäykkyys ja tutkia täytteen ja kerroslevyrakenteen välistä vuorovaikutusta. Analyyttinen laskentamalli johdettiin palkkiteorian, paksujen levyjen efektin ja energiamenetelmän avulla. Epäjatkuvaa teräskennorakennetta tutkittiin jaksollisena palkkina, joka muodostui yksikkökennoista. Yksikkökenno idealisoitiin ja kennon taipumalle ja liukukulmalle johdettiin laskentamalli, josta saatiin kennon taivutus- ja leikkausjäykkyydet. Jäykkyyksien avulla epäjatkuva teräskennorakenne homogenisoitiin ja homogenisoidusta palkista saatiin taipuma ja primääri vaste, joka toimi kuormana paikalliselle rakenteelle. Kuorman avulla saatiin kennon sekundääri vaste. Laskentamalli validoitiin FE-menetelmällä ja viiden laskentatapauksen avulla, joissa teräskennon mekaanisia ominaisuuksia muutettiin eri kennon dimensioilla ja täytteen tiheyksillä (Divinycell H). Homogenisoidun palkin taipumaa verrattiin FE-mallin antamaan taipumaan laskentamallista saadulla leikkausjäykkyydellä. Homogenisoidun palkin taipuma seurasi hyvin FE-mallin taipumaa, jonka perusteella voitiin todeta laskentamallin antavan hyvällä tarkkuudella tyhjän ja täytetyn teräskennon leikkausjäykkyydet. Myös laskentamallin antamat jännitysjakaumat seurasivat hyvällä tarkkuudella FE-mallin antamia jakaumia lähes kaikissa laskentatapauksissa ja vastasivat myös aikaisempia kokeellisesti ja numeerisesti saatuja ei-lineaarisia muotoja sekä vastasivat tyhjille kennorakenteille johdettuja lineaarisia jännitysjakaumia. Täyte pudotti merkittävästi tyhjän teräskennorakenteen pintalevyjen normaalijännityksen maksimiarvoja. Kasvattamalla täytteen tiheyttä saatiin täyte kantamaan enemmän leikkauskuormaa, jolloin normaalijännityksen maksimiarvo pieneni lisää. Täytteen avulla voitiin myös lisätä teräskennorakenteen taivutusjäykkyyttä ilman, että rakenteen paino lisääntyi merkittävästi. Hyvä paino-taivutusjäykkyyssuhde I-tyypin teräskennopaneelille saavutettiin ohuilla pintalevyillä.Description
Supervisor
Varsta, PetriThesis advisor
Romanoff, JaniKeywords
bending response, jännitysanalyysi, sandwich beam, kerroslevypalkki, shear stiffness, leikkausjäykkyys, stress analysis, taivutusvaste, effect of thick faces, paksujen levyjen efekti, web-core
