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::<math>\delta W^a_e = \delta Q_e^T \cdot \ell_e A_e \varrho g \left(\begin{array}{c}0\\\frac{1}{2}\\0\\\frac{1}{2}\end{array}\right)</math>
::<math>\delta W^a_e = \delta Q_e^T \cdot \ell_e A_e \varrho g \left(\begin{array}{c}0\\\frac{1}{2}\\0\\\frac{1}{2}\end{array}\right)</math>


und für den Euler-Bernoulli-Blaken dem laut [[]] zu
und für den Euler-Bernoulli-Balken dem laut [[Randwertprobleme/Methoden_zur_Lösung_von_Randwertproblemen/Finite_Elemente_Methode/FEM:_Trial-Functions_für_kubische_Ansatz-Polynome|FEM-Formulierung mit Kubischen Polynomen]] zu
::<math>\delta W^a_e = \delta Q_e^T \cdot \ell_e A_e \varrho g \left(\begin{array}{c}\frac{1}{2}\\\frac{\ell_e}{12}\\\frac{1}{2}\\-\frac{\ell_e}{12}\end{array}\right)</math>
::<math>\delta W^a_e = \delta Q_e^T \cdot \ell_e A_e \varrho g \left(\begin{array}{c}\frac{1}{2}\\\frac{\ell_e}{12}\\\frac{1}{2}\\-\frac{\ell_e}{12}\end{array}\right)</math>



Version vom 29. Oktober 2025, 16:02 Uhr


Aufgabenstellung

Der Mittelteil einer einfachen Hängebrücke besteht aus zwei Pylonen, an denen die Tragseile (Cable) geführt werden, an denen der Fahrbahnträger (Deck) aufgehängt ist.

Der Mittelteil einer Hängebrücke

Gesucht ist ein einfaches, lineares FE-Modell für statische Spannungen und Verformungen der Seile und Fahrbahn. Die Verformung der Pylone soll icht berücksichtigt werden.

Die Spannweite der Brücke beträgt L=30m, die Pylonhöhe AD beträgt H=10m. Die Brücke wird durch ihr Gewicht und zusätzlichen Kräften zwischen D und E von F=10kN an den Verbindungen mit den vertikalen Seilen belastet. Die Abmessungen von Seilen und Fahrbahn-Querschnitt wählen wir passend.

Aufgabe Strukturieren

Gesucht ist ein mathematisches Modell für die Hängebrücke - bestehen aus Fahrbahn, Tragseil und Hängeseilen. Wir gehen davon aus, dass die Anteile der Biegesteifigkeit der Seile vernachlässigbar sind - wir sie also als Dehnstäbe wie in einem Fachwerk modellieren können. Tun wir das nicht, werden die Auslenkungen der Tragseile im linearen Ansatz sehr groß und werden erst durch die Saitenspannungen - also nichtlineare Effekte - wieder auf ein sinnvolles Maß reduziert.

Die Fahrbahn modelleiren wir als Euler-Bernoulli-Balken - Verschiebungen der Querschnittsflächen des Balkens vernachlässigen wir.

Auf die Struktur wirken ihre Gewichtskräfte und eine Einzellast. Das resultierende Gleichungssystem des FE-Modells für die Koordinaten der Auslenkung der Brücke ist von der Form

K__⋅Q_=P_

mit der Steifigkeitsmatrix K__, der Spaltenmatrix der unbekannten Koordinaten Q_ und der Spaltenmatrix der äußeren Lasten P_.

Der Einfachheit halber wählen wir jeweils nur ein Finites Element zwischen den Stoßpunkten der Brückenteile.

Aufgabenstellung konkretisieren

Bezeichnung der Elemente und Knoten.


Die Hängebrücke teilen wir somit in 12 Elemente ein. Dies sind

  • die Elemente 1, ... 6 für das Tragseil
  • die Elemente 7, ... 12 für die Fahrbahn und
  • die Elemente 13, ... 17 für die Hängeseile.

Mit den römischen Ziffern I ... XIV kennzeichnen wir die Knotenpunkte zwischen den Elementen.

Koordinten des Modells sind damit die horizontalen und vertikalen Auslenkungen der Knoten I ... VII und die vertiakle Auslenkung und Kippung der Knoten in VIII ... XIV.

Koordinaten des Modells am Beispiel von Element 14.

Systemparameter

Für die Hängebrücke legen wir zunächst die Koordinaten der Knotenpunkte P fest. Diese definieren wir zu

P1:[0−H],P2:[1*ℓ0−α1*H],P3:[2*ℓ0−α2*H],P4:[3*ℓ0−α3*H],P5:[4*ℓ0−α2*H],P6:[5*ℓ0−α1*H],P7:[6*ℓ0−H],P8:[00],P9:[1*ℓ00],P10:[2*ℓ00],P11:[3*ℓ00],P12:[4*ℓ00],P13:[5*ℓ00,P14:[6*ℓ00]

mit

ℓ0=L/6 und α1=3/5,α2=2/5,α3=1/3

Die Längen ℓe aller Elemente ergeben sich aus der Lage der Knotenpunkte.


1+1




Modellierung

Die Gleichgewichtsbedingung formulieren wir mit dem Prinzip der virtuellen Verrückungen zu

δW=δWa−δΠ=0.


Virtuelle Arbeiten

Die virtuellen Arbeiten setzen sich dabei additiv aus den Beiträgen der 14 Elemente zusammen, also

δΠ=∑e=114δΠe und δWa=∑e=114δWea

Wir schreiben zunächst die Koordinaten der Verschiebung und Verdrehung der Knoten des Systems hin, hier

Q_T=(U1,W1,U2,W2,U3,W3,U4,W4,U5,W5,U6,W6,U7,W7,W8,Φ8,W9,Φ9,W10,Φ10,W11,Φ11,W12,Φ12,W13,Φ13,W14,Φ14)

Unser lineares Gleichungssystem hat also 28 Einzelgleichungen, die Gesamt-Steifigkeitsmatrix vor der Einarbeitung der Randbeindungen hat die Größe 28×28.


Virtuelle Formänderungsenergie

Die Gesamt-Steifigkeitsmatrix des Systems komponieren aus der den Beiträgen der virtuellen Formänderungsenergie der 14 Elemente:

δΠe=δQ_eT⋅K__e⋅Q_e,

wobei Q_e die Spaltenmatrix der Element-Koordinaten und K__e die Element-Steifigkeitsmatrix ist.

Die Koordinanten und Element-Steifigkeitsmatrizen sind für die Elementsteifigkeitsmatrix des Dehnstabes (R ... "rod")

Q_eT=(Uj,Wj,Uk,Wk),K__R,e=EARℓe(λx,e2λx,eλz,e−λx,e2−(λx,eλz,e)λx,eλz,eλz,e2−(λx,eλz,e)−λz,e2−λx,e2−(λx,eλz,e)λx,e2λx,eλz,e−(λx,eλz,e)−λz,e2λx,eλz,eλz,e2)

und für die Elementsteifigkeitsmatrix des Euler-Bernoulli-Balkens (B ... "Beam")

Q_eT=(Wj,Φj,Wk,Φk),K__B,e=EIBℓe3(126ℓe−126ℓe6ℓe4ℓe2−6ℓe2ℓe2−12−6ℓe12−6ℓe6ℓe2ℓe2−6ℓe4ℓe2).

Die Gesamt-Steifigkeitsmartix entsteht - zunächst, weil hier die Randbedingungen noch nicht berücksichtigt sind - indem wir die einzelnen Anteile der 17 Elemente zu einer leeren 28×28 - Matrix hinzuaddieren. Die folgenden Bilder zeigen, wie:

Struktur des mathematischen Modells.
Farbkodierung des Modells.

Dabei müssen die einzelnen Beiträge passend zu den Gesamtmatrizen hinzugefügt werden. Am Beispiel der Element-Steifigkeitsmatrix für das Hinzufügen von Element 14 ist das im folgenden dargestellt:

Die virtuelle Formänderungsenergie von ELement 14 ist

δΠ14=(δW3δW10)⋅EA14ℓ14(1−1−11)⋅(W3W10)

Wir erhalten diese Form, indem wir einen vertikalen Stab über ξx=0,ξy=1 in Gelöste_Aufgaben/T312 und definieren.

Herausgehoben: die Beiträge von Element 14.

Die grün umrandeten Felder zeigen auf, an welchen Stellen diese Elemente zur Gesamtsteifigkeitsmatrix hinzugefügt werden, das Magenta-farbene Rechteck zeigt die Beiträge für Element 14.

Virtuelle Arbeiten der äußeren Kräfte am System

Die virtuellen Arbeiten der äußeren Kräfte sind die Gewichtskräfte und eine Einzelllast.

Für die Einzellast F ist

δWFa=δWnF˙,

wobei n die Knotennummer (8 ... 14) und δWn die virtuelle vertikale Verrückung an diesem Knoten ist.

Die virtuellen Arbeiten der Gewichtskräfte erhalten wir mit der Erdbeschleunigung g und der Querschnittsfläche Ae für den Dehnstab zu

δWea=δQeT⋅ℓeAeϱg(012012)

und für den Euler-Bernoulli-Balken dem laut FEM-Formulierung mit Kubischen Polynomen zu

δWea=δQeT⋅ℓeAeϱg(12ℓe1212−ℓe12)

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Einarbeiten der Randbeindgungen

Wir berücksichtgen die Randbedingungen des Systems, indem wir die behinderten Verschiebungen der entsprechenden Koordinaten und deren Variation zu Null setzten, also

U1=0W1=0U7=0W7=0W8=0W14=0δU1=0δW1=0δU7=0δW7=0δW8=0δW14=0

Die verbleibenden Koordinaten sind

Q_T=(U2,W2,U3,W3,U4,W4,U5,W5,U6,W6,Φ8,W9,Φ9,W10,Φ10,W11,Φ11,W12,Φ12,W13,Φ13,Φ14).

Die Zeilen und Spalten des Gleichungssystems mit behinderten Koordinaten streichen wir und lassen die Einzellast exemplarisch an Knoten 10 angreifen. Das verbleibende Gleichungssystem ist dann

(EARλx,22ℓ2+⁡EARλx,12ℓ1EARλx,2λz,2ℓ2+⁡EARλx,1λz,1ℓ1−(EARλx,22ℓ2)−(EARλx,2λz,2ℓ2)000000000000000000EARλx,2λz,2ℓ2+⁡EARλx,1λz,1ℓ1EARλz,22ℓ2+⁡EARλz,12ℓ1+⁡EARℓ13−(EARλx,2λz,2ℓ2)−(EARλz,22ℓ2)0000000−(EARℓ13)0000000000−(EARλx,22ℓ2)−(EARλx,2λz,2ℓ2)EARλx,32ℓ3+⁡EARλx,22ℓ2EARλx,3λz,3ℓ3+⁡EARλx,2λz,2ℓ2−(EARλx,32ℓ3)−(EARλx,3λz,3ℓ3)0000000000000000−(EARλx,2λz,2ℓ2)−(EARλz,22ℓ2)EARλx,3λz,3ℓ3+⁡EARλx,2λz,2ℓ2EARλz,32ℓ3+⁡EARλz,22ℓ2+⁡EARℓ14−(EARλx,3λz,3ℓ3)−(EARλz,32ℓ3)0000000−(EARℓ14)0000000000−(EARλx,32ℓ3)−(EARλx,3λz,3ℓ3)EARλx,42ℓ4+⁡EARλx,32ℓ3EARλx,4λz,4ℓ4+⁡EARλx,3λz,3ℓ3−(EARλx,42ℓ4)−(EARλx,4λz,4ℓ4)0000000000000000−(EARλx,3λz,3ℓ3)−(EARλz,32ℓ3)EARλx,4λz,4ℓ4+⁡EARλx,3λz,3ℓ3EARλz,42ℓ4+⁡EARλz,32ℓ3+⁡EARℓ15−(EARλx,4λz,4ℓ4)−(EARλz,42ℓ4)0000000−(EARℓ15)0000000000−(EARλx,42ℓ4)−(EARλx,4λz,4ℓ4)EARλx,52ℓ5+⁡EARλx,42ℓ4EARλx,5λz,5ℓ5+⁡EARλx,4λz,4ℓ4−(EARλx,52ℓ5)−(EARλx,5λz,5ℓ5)0000000000000000−(EARλx,4λz,4ℓ4)−(EARλz,42ℓ4)EARλx,5λz,5ℓ5+⁡EARλx,4λz,4ℓ4EARλz,52ℓ5+⁡EARλz,42ℓ4+⁡EARℓ16−(EARλx,5λz,5ℓ5)−(EARλz,52ℓ5)0000000−(EARℓ16)0000000000−(EARλx,52ℓ5)−(EARλx,5λz,5ℓ5)EARλx,62ℓ6+⁡EARλx,52ℓ5EARλx,6λz,6ℓ6+⁡EARλx,5λz,5ℓ5000000000000000000−(EARλx,5λz,5ℓ5)−(EARλz,52ℓ5)EARλx,6λz,6ℓ6+⁡EARλx,5λz,5ℓ5EARλz,62ℓ6+⁡EARλz,52ℓ5+⁡EARℓ17000000000−(EARℓ17)0000000000004EIBℓ7−(6EIBℓ72)2EIBℓ70000000000−(EARℓ13)00000000−(6EIBℓ72)EARℓ13+⁡12EIBℓ83+⁡12EIBℓ736EIBℓ82−6EIBℓ72−(12EIBℓ83)6EIBℓ82000000000000000002EIBℓ76EIBℓ82−6EIBℓ724EIBℓ8+⁡4EIBℓ7−(6EIBℓ82)2EIBℓ80000000000−(EARℓ14)0000000−(12EIBℓ83)−(6EIBℓ82)EARℓ14+⁡12EIBℓ93+⁡12EIBℓ836EIBℓ92−6EIBℓ82−(12EIBℓ93)6EIBℓ9200000000000000006EIBℓ822EIBℓ86EIBℓ92−6EIBℓ824EIBℓ9+⁡4EIBℓ8−(6EIBℓ92)2EIBℓ90000000000−(EARℓ15)0000000−(12EIBℓ93)−(6EIBℓ92)EARℓ15+⁡12EIBℓ103+⁡12EIBℓ936EIBℓ102−6EIBℓ92−(12EIBℓ103)6EIBℓ10200000000000000006EIBℓ922EIBℓ96EIBℓ102−6EIBℓ924EIBℓ10+⁡4EIBℓ9−(6EIBℓ102)2EIBℓ100000000000−(EARℓ16)0000000−(12EIBℓ103)−(6EIBℓ102)EARℓ16+⁡12EIBℓ113+⁡12EIBℓ1036EIBℓ112−6EIBℓ102−(12EIBℓ113)6EIBℓ11200000000000000006EIBℓ1022EIBℓ106EIBℓ112−6EIBℓ1024EIBℓ11+⁡4EIBℓ10−(6EIBℓ112)2EIBℓ110000000000−(EARℓ17)0000000−(12EIBℓ113)−(6EIBℓ112)EARℓ17+⁡12EIBℓ123+⁡12EIBℓ1136EIBℓ122−6EIBℓ1126EIBℓ122000000000000000006EIBℓ1122EIBℓ116EIBℓ122−6EIBℓ1124EIBℓ12+⁡4EIBℓ112EIBℓ1200000000000000000006EIBℓ1222EIBℓ124EIBℓ12)⋅Q_=(0ℓ13gArϱ2+ℓ2gArϱ2+ℓ1gArϱ20ℓ14gArϱ2+ℓ3gArϱ2+ℓ2gArϱ20ℓ15gArϱ2+ℓ4gArϱ2+ℓ3gArϱ20ℓ16gArϱ2+ℓ5gArϱ2+ℓ4gArϱ20ℓ17gArϱ2+ℓ6gArϱ2+ℓ5gArϱ2ℓ72Abgϱ12ℓ13gArϱ2+ℓ8Abgϱ2+ℓ7Abgϱ2ℓ82Abgϱ12−ℓ72Abgϱ12ℓ14gArϱ2+ℓ9Abgϱ2+ℓ8Abgϱ2+Fℓ92Abgϱ12−ℓ82Abgϱ12ℓ15gArϱ2+ℓ10Abgϱ2+ℓ9Abgϱ2ℓ102Abgϱ12−ℓ92Abgϱ12ℓ16gArϱ2+ℓ11Abgϱ2+ℓ10Abgϱ2ℓ112Abgϱ12−ℓ102Abgϱ12ℓ17gArϱ2+ℓ12Abgϱ2+ℓ11Abgϱ2ℓ122Abgϱ12−ℓ112Abgϱ12−(ℓ122Abgϱ12))

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Dieses lineare Gleichungssystem lösen wir nun:

Lösen

Wir lösen das Lineare Gleichungssystem

K__⋅Q_=P_

aus dem letzten Abschnitt mit dem Maxima-Befehl

linsolve_by_lu(K,P).

Die Lösung funktioniert - mit vertretbarem Aufwand - nicht mehr algebraisch, die Rechenzeiten werden dann zu groß. Wir wählen numerische Werte für die Parameter und erhalten dann Ergebnisse für diesen Parametersatz.

U1=0W1=0U2=2.66*10−4mW2=5.55*10−4mU3=−1.89*10−4mW3=0.00275mU4=0W4=0.00393mU5=1.89*10−4mW5=0.00275mU6=−2.66*10−4mW6=5.55*10−4mU7=0W7=0W8=0Φ8=1.86*10−4W9=6.96*10−4mΦ9=2.68*10−4W10=0.00281mΦ10=4.26*10−4W11=0.00398mΦ11=0W12=0.00281mΦ12=−4.26*10−4W13=6.96*10−4mΦ13=−2.68*10−4W14=0Φ14=−1.86*10−4
Verformte Brücke für F = 0 N, Skalierungsfaktor der Auslenkung: 100.
Verformte Brücke für F = 105 N, Skalierungsfaktor der Auslenkung: 10.

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Ausdeuten

In einem Post-Processing berechnen wir die maximalen Spannungen im Bauteil:

Spannungen in allen Bauteilen, relativ zur Vergleichsspannung.

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