8.02 Bauarten, Belastung und Beanspruchung

8.2 Bauarten, Belastung und Beanspruchung der Struktur

design, loads and stresses

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Flugzeugrümpfe bestanden in den Anfangsjahren der Luftfahrt vornehmlich aus Holz- oder Rohrgerüsten als tragende Struktur, die mit Tuch bespannt wurden. Mit zunehmender Steigerung der Fluggeschwindigkeit und der Festigkeitsanforderungen wurden die Rümpfe später mit Metall beplankt, das tragende Gerüst blieb jedoch noch erhalten. Im Juni 1918 wurde dann erstmals bei den Dornier-Werken mit der Dornier-Zeppelin D.I ein Flugzeugrumpf in Halbschalenbauweise zur Gewichtseinsparung und Festigkeitserhöhung konstruiert. Die Rumpfhaut wird dabei als kräfteaufnehmendes Element mit einbezogen; sie wird durch formgebende Spante im Querschnitt und in Längsrichtung durch Stringer verstärkt. Auch die modernen Passagierflugzeuge sind so gebaut.

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8.2.1 Bauarten und Bauweisen

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Die Begriffe Bauart und Bauweise werden oft synonym verwendet, aber es gibt feine Unterschiede zwischen ihnen. Die Bauweise beschreibt im Allgemeinen die festgelegte Anordnung von Konstruktions- oder Bauelementen. Unter dem Begriff der Bauart wird ganz allgemein der Aufbau und die dafür benutzten Materialien verstanden.

Hinweis: In dem folgenden Kapitel ist die Wortwahl „Bauart“ und „Bauweise“ gleichzusetzen.

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Die Kunststoffbauweise

Die Kunststoffbauweise ist die heute für Segelflugzeuge übliche Bauweise. Als Werkstoff dient ein Verbundwerkstoff aus Kunststoff (Epoxidharz) und die darin eingebetteten Verstärkungsfasern (Glas-, Carbon-, Aramidfasern).

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Segelflugzeuge in Kunststoffbauweise

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Auch wenn das Laminat belastbar ist, ist es oft zu schwach, um einer Verformung durch Kräfte senkrecht auf die Oberfläche oder durch Beulkräfte entgegenzuwirken. Daher muss das Laminat dicker gemacht werden, was jedoch zu Lasten des Gewichts geht.

Um Gewicht zu sparen, kann eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit auch dadurch erreicht werden, dass ein Kern aus einem sehr leichten Füllmaterial wie Balsaholz, Kunststoff-Waben oder Schaumstoff mit je einer oberen und unteren Decklage des Laminats belegt werden. Dies nennt man eine Sandwich-Konstruktion.

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Die Holzbauweise

Die Holzbauweise war früher die übliche Bauweise. Verwendet wurden hauptsächlich Kiefernleisten, Birkensperrholz und Buchenschichtholz. Angewandt wurde die Fachwerkbauart mit tragendem Holzleistengerüst und Stoffbespannung als Außenhaut, sowie die Halbschalenbauart mit tragender Außenhaut, gestützt durch Rippen bzw. Spanten und Stringer.

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Segelflugzeuge in Holzbauweise: Ka 6

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Die Gemischtbauweise

Die Gemischtbauweise hat sich für Schul- und Übungssegelflugzeuge bewährt. Sie kombiniert Trag- und Leitwerk in Holzbauweise mit einem Rumpf aus einem geschweißten Stahlrohrfachwerk mit Stoffbespannung.

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Segelflugzeug in Gemischtbauweise: ASK 13

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Die Metallbauweise

Die Metallbauweise ist bei Motorflugzeugen üblich, bei Segelflugzeugen eher selten zu finden. Verwendet werden Bleche und Blechprofile aus Leichtmetalllegierungen (Dural), und zwar meist in Halbschalenbauart, seltener in reiner Schalen- oder Fachwerkbauart (stoffbespannt).

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Segelflugzeug in Metallbauweise: L-13 "Blanik" (Quelle: Wikipedia)

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8.2.2 Wirkung von Lasten und überlagerten Belastungen auf die Struktur

Loads and combination loadings applied to an aircraft’s structure

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Dieses Kapitel umfasst folgende Themenpunkte:

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Belastung und Beanspruchung

System design, loads and stresses

Unter „Belastung“ ist die statische Wirkung einer aufgebrachten Kraft oder eines Moments zu verstehen. Zu den Auswirkungen gehören (Material-) Beanspruchung, Zug, Druck und Torsion. Die „Beanspruchung“ ist dynamisch zu verstehen. Sie kann durch wiederholte Krafteinwirkung zu einer Überlastung der Bauteile und Verbindungselemente führen. Dieses Kapitel befasst sich mit der erforderlichen Festigkeit der Konstruktion, um (wechselnde) Kräfte und Momente aufzunehmen.

Die Gesamtheit der Strukturelemente, die die Betriebslasten aufnehmen, versteht man als tragende Struktur eines Luftfahrzeugs.

Das Gewicht des Segelflugzeugs muss vom Flügelauftrieb getragen werden. Dabei wirkt das Gewicht der Tragflächen genau dort, wo der Auftrieb entsteht. Die Struktur wird dadurch überhaupt nicht beansprucht. Anders ist es mit dem Rumpf, zu dem auch das Leitwerk gehört, denn der hängt an den Querkraftbeschlägen zwischen den beiden Tragflächen.

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Wirkung des Gewichts der nichttragenden Teile

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Durch den Abstand zwischen dem Gewicht der nichttragenden Teile und der Auftriebskraft rechts bzw. links kommt es zu einer hohen Biegebelastung der Flügelverbindung und des Flügelholms im Wurzelbereich. Damit deren Tragfähigkeit nicht überschritten wird, muss das Gewicht der nichttragenden Teile begrenzt werden.

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Elastizität und Steifigkeit

Die Konstruktion eines Flugzeugs muss ausreichend formstabil (steif) und zugleich auch ausreichend elastisch (biegsam) sein, um die wechselnden Belastungen (z.B. bei Turbulenzen) besser aufnehmen zu können. Die Struktur darf auch nicht zu elastisch sein, da sonst die Gefahr des Flatterns steigt.

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Flattern

Flattern ist eine (instabile) Schwingung eines oder mehrerer Bestandteile des Flugzeugs, die sich selbst verstärkt, bis das Bauteil oder die tragende Konstruktion zerstört wird. Flattern tritt unter anderem auf, wenn sich die elastische Konstruktion so verformt, dass die Luftkräfte die Schwingungsamplitude (Verformung) verstärken und die Kräfte kontinuierlich ansteigen. Ein weiterer Grund kann ein zu großes Spiel in Lagern (bei beweglichen Bauteilen wie Höhen-, Seiten oder Querruder) sein.

So ist eine der Konstruktionsanforderungen, dass bei Geschwindigkeiten bis einschließlich der maximalen Fluggeschwindigkeit innerhalb der zulässigen Lastgrenzen und Geschwindigkeiten kein Flattern auftreten darf. Konstrukteure entwickeln die Baugruppen so, dass sie ausreichend steif sind. So achten sie bei Tragflächen und Rudern auf eine korrekte Gewichtsverteilung.

Ziel ist, dass der Schwerpunkt sämtlicher beweglicher Massen möglichst in Ruhe verharrt. Die Abbildung zeigt ein Beispiel für den Massenausgleich in einem Ruder. Indem der Schwerpunkt des Ruders vor den Drehpunkt gelegt wird, bewirkt ein Ausschlag des Seitenruders nach links eine Gegenbewegung der Leitwerksflosse nach rechts, wodurch der Wirkung des Ausschlags nach links entgegengewirkt wird. Der Massenausgleich kann durch externe oder interne Gewichte erfolgen.

Massenausgleich gegen Flattern

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Hinweis: Mit zunehmender Höhe muss das Flugzeug aufgrund der abnehmenden Luftdichte schneller geflogen werden, um eine konstante angezeigte Fluggeschwindigkeit zu halten. Gleichzeitig nimmt die dämpfende Eigenschaft der Luftmasse ab. (siehe auch Kapitel 8.6 Instrumente). Daher sind im Flug- und Betriebshandbuch die Angaben zu Fahrtmesserfehlern zu beachten. Faustregel ist, dass pro 1000 Meter Höhe der Fahrtmesser eine um 7% zu geringe Geschwindigkeit anzeigt.

Daher kann vor Erreichen der angezeigten Höchstgeschwindigkeit in größeren Höhen Flattern auftreten. Im Flug- und Betriebshandbuch wird meist darauf hingewiesen, dass die maximale Manövergeschwindigkeit (Beginn des gelben Bereichs) und die Höchstgeschwindigkeit (roter Strich) in großen Flughöhen geringer sind. Das ist am Fahrtmesser aber nicht erkennbar!

Schaue dir folgendes Video mal an, um zu verstehen, was bei Ruderflattern passieren kann: SB-9-Flatterfilm Flattern beim Segelflugzeug SB 9 der Akaflieg Braunschweig.

Vielleicht hat du auch schon vom Luftbremsen- oder auch Bremsklappenflattern gehört. Das ist kein Flattern im eigentlichen Sinn, sondern ein schnelles Oszillieren der Luftbremsen, bzw. der Klappenabdeckungen, das meist von einer schlechten Einstellung der Luftbremsenverriegelung bzw. der Spannfedern der Abdeckungen kommt. Es kann auftreten, wenn der Flügel bei entsprechender Geschwindigkeit unter g-Last gebogen wird, also auch beim Windenstart oder Abfangen bei höheren Geschwindigkeiten (Ausleiten Trudeln/Steilspirale/Schnellflug). Hierzu findest du in der Aerobatic unter Flattern, Ruder und Bremsklappen weitere, tiefergehende Informationen.

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Beanspruchungsarten

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Lastfaktor

Wenn man bei einer bestimmten Geschwindigkeit plötzlich am Knüppel zieht, wird der Anstellwinkel vergrößert und der Lastfaktor steigt über n=1. Mit anderen Worten: Das scheinbare Gewicht des Flugzeugs und seiner Insassen nimmt zu, weil die träge Masse den ursprünglichen Zustand beibehalten möchte.

Auch beim Einfliegen in starke Thermik z.B. wird der Lastfaktor erhöht. Auch jetzt wird der Anstellwinkel plötzlich erhöht, wodurch der Auftrieb deutlich zunimmt.

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Böenbelastungen

Wenn ein Segelflugzeug in turbulenter Luft fliegt und von einer vertikalen Böe getroffen wird, vergrößert sich plötzlich der Anstellwinkel, das Segelflugzeug produziert viel mehr Auftrieb, als zum Tragen des Flugzeuggewichts notwendig ist. Dies nennen wir Böenbelastung. Auch ihre Größe wird durch ein Lastvielfaches n beschrieben.

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Lastvielfache im Kurvenflug

Lastvielfache ist ein Begriff, der in der Luftfahrt verwendet wird, um die Belastungsgrenzen von Geräten und Materialien zu beschreiben. Darunter versteht man das Verhältnis von Zentrifugalkraft (Massekraft) zu Auftriebskraft.

Beim Fliegen einer Kurve reduziert sich der Auftrieb mit der Querneigung. Um das Gewicht weiterhin zu kompensieren, muss der Auftrieb durch Vergrößerung des Anstellwinkels erhöht werden. Auch in diesem Fall erhöht sich der Lastfaktor. Der Lastfaktor erhöht sich um 1/cos (β) (Querneigung).

Der vorangegangene Text zeigt, dass eine Vergrößerung des Anstellwinkels bei konstanter Geschwindigkeit eine Erhöhung des Lastfaktors bewirkt. Pro Kategorie (Utility oder Aerobatic) gilt ein maximaler positiver und negativer Wert des Lastfaktors.

Wenn dieser Wert überschritten wird, wird die maximale Auslegungslast des Flugzeugs überschritten und es besteht die Gefahr von Strukturschäden.

Kategorien

Die Lastgrenzen sind in den Bauvorschriften für Segelflugzeuge (CS-22) festgelegt.

Eine Erhöhung des Lastvielfachen kann nicht nur zu Schäden, sondern auch zu einer höheren Überziehgeschwindigkeit (Vs) führen. Je höher der Lastfaktor, desto mehr Auftrieb muss erzeugt werden (n = Fa/Fg => Fa = n Fg). Unter der Annahme eines maximalen Anstellwinkels (cαMAX) kann nur dann ausreichend Auftrieb erzeugt werden, wenn die Geschwindigkeit hoch genug ist. Die neue Überziehgeschwindigkeit ist eine Funktion der Quadratwurzel des Lastfaktors mal der Überziehgeschwindigkeit bei einer 1-g-Last. In Formelform: Vs = Vs 1g √n.

Aus dem gleichen Grund erhöht sich die Überziehgeschwindigkeit beim Kurvenflug. Der Lastfaktor in einer Kurve ist eine Funktion der Querneigung und kann mit n = 1/cosφ berechnet werden.

Der in einer Kurve auf das Flugzeug und die Insassen wirkende g-Faktor, auch Lastvielfaches genannt, ist das Verhältnis des in der Kurve benötigen Auftriebes A zum Auftrieb Fg im Horizontalflug.

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Die Kombination aus Zentrifugalkraft F_Z und Gewicht G ergibt die Kraft F_M, das scheinbare Kurven-Gewicht. Du empfindest das so, als ob du schwerer geworden bist und du zusätzlich in deinen Sitz gedrückt wirst.

Das Lastvielfache (g-Belastung) wird erhöht; damit muss auch die Tragkraft A (Auftrieb) zunehmen. Zunehmendes Lastvielfaches führt zu einer höheren Flächenbelastung, die zu erhöhter Überziehgeschwindigkeit führt. D.h., bei Steilkreisen muss die Fluggeschwindigkeit erhöht werden.

Bei steileren Kurven nimmt das „scheinbare Gewicht“ aufgrund der G-Kräfte zu. Das Lastvielfache (g-Belastung) wird erhöht; damit muss auch die Tragkraft (Auftrieb) zunehmen. Zunehmendes Lastvielfaches führt zu einer höheren Flächenbelastung, die zu erhöhter Überziehgeschwindigkeit führt.

Merke: Beim Kurvenflug musst du berücksichtigen, dass mit zunehmender Querneigung auch die Überziehgeschwindigkeit zunimmt. Der Auftrieb steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit (doppelte Geschwindigkeit ist 4-facher Auftrieb). Bei steileren Kurven nimmt das „scheinbare Gewicht“ aufgrund der G-Kräfte zu.

Das Lastvielfache (g-Belastung) wird erhöht; damit muss auch die Tragkraft (Auftrieb) zunehmen. Zunehmendes Lastvielfaches führt zu einer höheren Flächenbelastung, die zu erhöhter Überziehgeschwindigkeit führt.

Merke: Beim Kurvenflug musst du berücksichtigen, dass mit zunehmender Querneigung auch die Überziehgeschwindigkeit zunimmt. Der Auftrieb steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit (doppelte Geschwindigkeit ist 4-facher Auftrieb).

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Beanspruchungsgrenzen

Die oben genannten Beanspruchungen werden im Last- oder Manövrierdiagramm kombiniert, welches die Belastungsmöglichkeiten bei der jeweiligen Fluggeschwindigkeit zeigt. Eine andere Bezeichnung für dieses Diagramm ist das V-n-Diagramm.

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Beladungs-, Manövrier- oder v-n-Diagramm

für ein Luftfahrzeug der Kategorie U (Utility)

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Auf der horizontalen Achse steht die angezeigte Fluggeschwindigkeit, auf der vertikalen Achse der Lastfaktor n. Die beiden gebogenen Linien zeigen die Überziehgeschwindigkeit beim jeweiligen Lastfaktor. Man sieht hier, dass die Strömung schon vor dem Erreichen des maximalen Lastfaktors abreißt, weil der maximale (oder kritische) Anstellwinkel α_MAX erreicht wird. Die maximal zulässigen positiven und negativen Lastfaktoren sind in den beiden schrägen Geraden dargestellt. Man sieht, dass der maximal erlaubte positive und negative Lastfaktor mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Damit sollen die Auswirkungen vertikaler Windböen aufgrund von Turbulenzen berücksichtigt werden, die bei höheren Geschwindigkeiten zu einer Überlastung führen können. Die rote vertikale Linie schließlich zeigt den V_NE.

Hinweis: Das Belastungsdiagramm und die Manövriergeschwindigkeit V_A werden gemäß den Zulassungsanforderungen mit einem maximal beladenen Flugzeug ohne Wasser und ohne Klappen ermittelt. Ein geringeres Gewicht führt dann theoretisch zu einer geringeren Manövriergeschwindigkeit V_A. Das Flugzeug könnte dann bereits bei Geschwindigkeiten unter V_A überlastet sein. Der Segelflugzeughersteller muss jedoch nachweisen, dass dies nicht möglich ist.

Wasser in den Flügeln erhöht tatsächlich die Tragfähigkeit. Dies liegt vor allem daran, dass Wasser die Durchbiegung des Flügels nach oben reduziert. Die Nutzung von Wölbklappen nach unten (positiv) bewirkt eine stärkere Flügelwölbung, wodurch die Belastbarkeit sinkt. Diese wird als maximale ausgefahrene Klappengeschwindigkeit oder kurz V_FE angegeben.

Um es zusammenzufassen:

• V_S1g	ist die Überziehgeschwindigkeit bei einer Last von 1 g
• V_S	ist die Überziehgeschwindigkeit
• V_FE	ist die maximale Geschwindigkeit mit ausgefahrenen Wölbklappen (nicht neutral oder negativ)
• V_A	ist die Manövriergeschwindigkeit
• V_NE	ist die maximal zulässige Geschwindigkeit auch mit Wölbklappen neutral oder negativ

Eine obere Geschwindigkeitsgrenze für die Bremsklappen gibt es nicht. Sie heißen ja auch Sturzflugbremsen! Aber: Sind sie ausgefahren, hast du praktisch einen kleineren Flügel, der das gleiche Flugzeug tragen muss. Dazu brauchst du einen größeren Anstellwinkel, damit bist du näher am kritischen Anstellwinkel.

Allerdings, kann der Hersteller eine maximale Geschwindigkeit für das Fliegen mit Luftbremsen (das ist der offizielle Oberbegriff) festlegen, z.B. mit Bremsschirm max. 150 km/h oder je nach Brems- oder Störklappenart etwas unterhalb der V_NE(z.B. RF 4D - 180 km/h). Das sind jedoch Ausnahmen, die im Flughandbuch festgelegt sind.

Zusätzlich zu den Geschwindigkeitsbegrenzungen aus dem Belastungsdiagramm gibt es noch folgende Geschwindigkeitsbegrenzungen

• V_RA	ist die ungefähre Fluggeschwindigkeit, bei der die Struktur in der Lage sein muss, wiederkehrende Belastungen zu verkraften. In der Zivilluftfahrt ist V_RAin der Regel V_A.
• V_W	ist die maximale Geschwindigkeit an der Winde
• V_T	ist die maximale Schleppgeschwindigkeit
• V_LO	ist die maximale Geschwindigkeit, mit der das Fahrwerk ausgefahren werden darf

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Sicherheitsfaktoren

Flugzeugstrukturen benötigen eine gewisse Elastizität. Elastisches Material kann sich unter Last verformen, bleibt aber nach Wegnahme der Last nicht dauerhaft verformt. Geschieht dies doch, wurde die Elastizitätsgrenze überschritten und das Material ist plastisch (bleibend) verformt. Die maximale Auslegungslast ist dann überschritten und das Flugzeug ist nicht mehr lufttüchtig oder schwer beschädigt. Das Flugzeug ist jedoch noch nicht zusammengebrochen. Der Konstrukteur muss einen Sicherheitsfaktor von mindestens dem 1,5-fachen der maximalen Auslegungslast anwenden, bevor eine Struktur versagen darf (bei älteren Baumustern ist es der zweifache Faktor).

In den Bauvorschriften, derzeit gültig ist die EASA CS-22, sind die Anforderungen aufgeführt, die ein Segelflugzeug erfüllen muss. Unten siehst du, welche Belastungsfaktoren ein Segelflugzeug aushalten muss, ohne dauerhaft Schaden zu nehmen.

Mit V_A ist die Manövergeschwindigkeit gemeint. Das ist die Geschwindigkeit, bei der der gelbe Bereich auf dem Fahrtmesser beginnt. Oberhalb dieser Geschwindigkeit dürfen keine plötzlichen vollen Ruderausschläge gemacht werden, da die Belastungen auf das Luftfahrzeug dann zu hoch sein können. Du siehst, dass ein Luftfahrzeug wie die LS.4 am Anfang des gelben Bereichs auf dem Fahrtmesser eine Kraft von mindestens dem 5,3-fachen des Eigengewichts ohne Schaden aufnehmen können muss.

Bei V_NE (der maximal zulässigen Geschwindigkeit in ruhiger Luft) muss die LS.4 eine Kraft vom 4-fachen ihres Eigengewichts aufnehmen können.

← Belastungsgrenzen einer LS4

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Hohe Manöverlasten in Verbindung mit Böenlasten in turbulenter Luft können zu einer übermäßigen Belastung des Segelflugzeugs führen.

Bei den meisten Leichtflugzeugen gilt in der Regel: V_RAist gleich V_A. Für Segelflugzeuge ist der Beginn des gelben Bereichs meistens auch die maximale Geschwindigkeit für das Fliegen in starker Thermik oder bei starken Turbulenzen.

Wenn du mit sehr hohen Geschwindigkeiten fliegst, musst du darauf achten, dass du innerhalb der Betriebsgrenzen des Segelflugzeugs bleibst. Gleiches gilt für den Windenstart.

Die Belastungsgrenzen der einzelnen Segelflugzeuge sind sehr verschieden, daher ist es wichtig, dass du die im Flughandbuch vorgeschriebene Sollbruchstelle für den Windenstart verwendest.

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Sollbruchstellen an Vorseilen

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Sollbruchstellen im Vorseil sollen z.B. die maximal zulässige Belastung für das jeweilige Flugzeugmuster beim Windenstart begrenzen. Mehr hierzu findest du im Fach Betriebsverfahren, Kapitel 6.2.1 Windenstart.

Anker: Bauart-Bauweis = Wirk8-2-1; Kunstfoff = Kun82; Holzbau = Holz82; Gemischtbau = Gem82; Metallbau = Met82; Wirkung von Lasten = Wirk8-2-2; Belastung = StruBela; Beanspruchung = StruBean; Beanspruchungsgrenzen = StruBegre; Sicherheit = StruSic

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Details: Geschrieben von Super User; Erstellt: 24. Dezember 2020; Zuletzt aktualisiert: 29. April 2024; Zugriffe: 10114