Konstruktion

Starrluftschiff
Chefkonstrukteur Ludwig Dürr
Dreiecksträger
Ringe
Verspannung
Steg

Starrluftschiff

Wie kam er auf die Idee?

Als am 19. Juli 1870 der Deutsch-Französische Krieg ausbrach, wurde Ferdinand Graf von Zeppelin an die Front kommandiert und konnte bei der Pariser Belagerung beobachten, wie die französischen Truppen Ballons zur Aufklärung und zur Kommunikation untereinander einsetzten. Er bemerkte schnell, dass diese Ballons oft von ihrem ursprünglichen Zielort abkamen und keinesfalls präzise gelenkt werden konnten. Diese Erfahrung beschäftigte ihn seitdem. Erst nachdem er 1890 seinen militärischen Dienst quittierte, konnte er sich vollends auf die Entwicklung seines lenkbaren Luftschiffes konzentrieren.

Was ist das Grundprinzip?

Der Luftzug, welcher am 31. August 1895 patentiert wurde, sah ein metallenes Gerippe vor, welches den kompletten Rumpf umfasste und eine Verteilung des Gasvolumens auf die voneinander getrennten Gaszellen vorsah.
Die angestrebte strömungsgünstige und starre Form wurde durch Ringe ermöglicht, welche aus geformten Vielecken bestanden, die in regelmäßigen Abständen montiert und mit den Längsträgern verbunden waren.
Die Stabilität und der Schutz vor Deformation des Schiffes wurden durch Drahtverspannungen in jedem einzelnen Ring und zwischen mehreren Ringen erreicht. Außerdem sorgte der Kielträger, der unten außer- oder innerhalb des Rumpfes verlief und an dem die Lasten angebracht werden konnten, für die nötige Steifheit.

Problematik

Um eine permanente starre Form zu garantieren, musste Ferdinand Graf von Zeppelin gewährleisten, dass keinerlei Deformationen des Rumpfes auftraten. Dies konnte nur durch eine ausreichende Festigkeit bzw. Steifigkeit des Gerippes realisiert werden, welche das Gewicht der Konstruktion erheblich in die Höhe trieb.
Steigt das Gerippegewicht, so muss mehr Traggas in den Gaszellen Platz finden, was dazu führt, dass die Rumpfdimension wiederum steigt.

Konsequenz

Die Konstruktion muss zwar hohen Knick- und Biegebelastungen widerstehen, aber möglichst leicht sein. Der Leichtbau ist somit die bestimmende Komponente aller Zeppelinluftschiffe. Einer der wichtigsten und loyalsten Konstrukteure aus dem Konstruktionsbüro des Grafen wurde mit dieser bedeutungsvollen Aufgabe betraut Ludwig Ferdinand Dürr.

Chefkonstrukteur Ludwig Dürr

geboren am 4. Juni 1878 in Stuttgart
o Bürgerschule (heute Schlossrealschule Stuttgart)
o dreijährige Mechanikerlehre. Dürr besuchte gleichzeitig die Höhere Maschinenbauschule, die der Königlichen Baugewerkeschule Stuttgart angegliedert war (heute FS Esslingen)
o mit 21 Jahren als Konstrukteur in der Gesellschaft zur Förderung der Luftschiffahrt beim Graf von Zeppelin eingestellt und danach erfolgreicher Studienabschluss
o Umzug des Büros von Stuttgart nach Friedrichshafen

o 15.11.1900 Auflösung des Büros
Dürr blieb einziger Mitarbeiter des Grafen von Zeppelin und oftmals ohne Gehalt und Versicherung.

Ab 1904

" Entwurf aller Leichtbauelemente, die die Grundlage aller kommenden Zeppelinluftschiffe bildeten.
" Entwicklung von knick- und biegesteifen Dreiecksträgern
" Festigkeitsprüfung von Profilen und Trägern
" Begründung einer Leichtmetallgießerei
" Durchführung von Legierungsversuchen
" Weiterentwicklung von Duralumin bis zur Praxistauglichkeit
" Bau einer Unterdruckkammer für diverse Höhentests
" Untersuchung der Dehnung und Zerreißfestigkeit von Hüllenstoffen
" Bau eines der ersten Windkanäle weltweit

o 8. Juli 1913 technischer Direktor
o nach dem Ersten Weltkrieg Existenzprobleme der Werft
Während dieser Krisenzeit beweist Dürr sein konstruktives Können zur Gänze. Er entwarf Behälter, Seilbahnkabinen und Autoteile aus Leichtmetall. Außerdem konzipierte die selbsttragende Leichtbaukarosserie, die aber nicht realisiert werden konnte.
o am 19.Juli 1923 heiratete er Lydia Beck

In den dreißiger Jahren befand sich Dürr auf seinem Höhepunkt und erhielt viele Auszeichnungen, Medaillen und Orden - unter anderem die Ehrendoktorwürde von sechs Universitäten und Technischen Hochschulen, wurde Ehrenmitglied des VDI (Verbund Deutscher Ingenieure) und Ehrenbürger zweier Städte.
o 1945 Auflösung des Unternehmens durch die Alliierten Streitkräfte
� 1. Januar 1956 in Friedrichshafen

Dreiecksträger

Die Dreiecksträger und deren besondere offene Profilform sind der elementare Grundbaustein der LZ-Luftschiffe und haben erst die Realisierung der LZ 129 ermöglicht. Keine andere vergleichbare Konstruktion konnte so viele Vorteile vereinigen:

- hohe Festigkeit
- guter Widerstand gegen Biegung und Knickung
- billige Herstellung
- einfache Knotenanbindung
- kein Funktionsausfall nach Bruch
- nachträgliche Verstärkung möglich

Entwicklung der Träger und Profile

LZ 1:
genietete Gitterträgerbauweise
Gurtprofilform: T-Profil (1)
Diagonalstreben: Winkel (2)
Nachteil: Geringe seitliche Steifigkeit des kompletten Gerippes

LZ 2:
neuentwickelte dreigurtige, räumliche Fachwerke, die sog. Dreiecksträger Gurtprofilform: offenes U-Profil (1) Herstellung: Walzen
Diagonalstreben: flachgedrückte Aluminiumröhren (3)
Nachteil: Scharfe Kanten der gewalzten U-Profile wurden zu einem Sicherheitsproblem

LZ 7:
wesentliche Erneuerung in der Herstellungsart der Profile Gurtprofilform: offenes U-Profil (1) Herstellung: Ziehen oder Walzen dünnwandiger Bänder
Diagonalstreben: Mit Sicke und Randwulst versehendes offenes U-Profil (3) Herstellung: Gestanzt und Geprägt aus dünnen Blechstreifen
Vorteil: Sehr gute Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht ist Voraussetzung für den wirtschaftlichen Trägerbau moderner LZ-Luftschiffe

LZ 62:
Einführung einer geänderten Trägerbauweise von Dreiecks- bzw. W- Querschnitt Gurtprofilform: modifiziertes offenes U-Profil (1)
Diagonalstreben: Mit Sicke und Randwulst versehendes offenes U-Profil (2/3) Neuentwickelte Strebenkreuze aus besonders tief gesickten Blechstreifen mit gebördelten Rändern
Vorteil: Hohe Träger- und Knickfestigkeit

LZ 120/126:
neuartige viergurtige, räumliche Fachwerkträger mit ausgefachten Querwänden außen oder im Diagonalzug innen kamen zusätzlich zum Einsatz ? Herstellung: Ausfachung aus einem U-förmig gezogenen Blechstreifen durch ein einfaches Stanz- und Bördelverfahren
Vorteile:
- einfachere Knotenverbindungen
- hohe Widerstandsfähigkeit auch bei Versagen
- glatte Oberfläche zum Schutz der Gaszellen

LZ 129:
der Schiffsgröße entsprechend vergrößern sich Trägerbauhöhen und die Materialstärken Gurtprofilform: Sechseckiges offenes Omegaprofil
Diagonalstreben geschickt an den zwei gegenüberliegenden Seiten des Omegaprofils vernietet
Vorteil: außerordentlich hohe Widerstandsfähigkeit der Träger

Belastungstests

Segmentfachwerk (Länge: 7,34m)
Bruch bei kombinierter Belastung von 10000 kg Druck und 700 kg Biegelast
Versagensspannung bei ca. 241 N/mm^2

Träger (Länge: 2,6m)
Bruch bei einer Knicklast von 7043 kg
Versagenspannung bei ca. 247 N/mm^2

Ringe

Aufgabe der Ringe

Die Hauptaufgabe der Ringe war es, die angreifenden Kräfte auszugleichen. Besonders die Lastkräfte des Laufganges und die Auftriebskräfte in der oberen Schiffshälfte mussten mit Hilfe der radialen Ringverspannung möglichst günstig in das komplette Vieleck geleitet werden. Dadurch wurde eine versteifende Wirkung erreicht und die Formeinhaltung gewährleistet.

Ringträgeranordnung

Ziel war es von Anfang an, die Ringe mit möglichst wenigen Ecken zu konstruieren, da es Probleme bei der Verspannung zu vieler Eckpunkte gab. Vor allem bei LZ 1 wurden die Ringverspannungen zu einem großen Nachteil. Ab LZ 62 wurde dieses Ziel dadurch erreicht, dass nur jede zweite Ecke verspannt wurde. Eine Kombination aus einem Sprengträger mit einem gradlinigen Obergurt bzw. einem Segmentfachwerk zwischen beiden Knotenpunkten ermöglichten bei LZ 126 die günstige Kräfteaufnahme auf das große Luftschiff.

Zeppelin	Ringabstand	Hilfsringabstand	Eckenzahl	max. Durchmesser
LZ 1	8m	8/3m	24	12m
LZ 2	8m	/	16	12m
LZ 26	10m	5m	17	16m
LZ 100	15m	5m	25	24m
LZ 126	15m	5m	22	28m
LZ 129	15m	5m	36	41m

Eine weitere Neuerung, die erstmals bei LZ 18 zum Einsatz kam, war ein verbindendes Fachwerk im unteren Teil des Ringes. Es sorgte für eine Verminderung der Ringbeanspruchung infolge der Laufgangslasten und verhinderte eine Verschiebung der unteren Ringeckpunkte nach innen. Dies wäre allein durch geschickte Drahtverspannung niemals möglich gewesen.

Längsträgeranordnung

Die Längsträger bilden die Silhouette des Schiffes. Sie haben den Zweck, den nach innen gerichteten Hüllendruck sowie den nach außen gerichteten Gasdruck auf die Knotenpunkte des räumlichen Schiffsfachwerks zu übertragen. Des Weiteren sind sie grundlegend für die Anordnung des Gerippes, da die Entfernung der Längsträger über die Eckenzahl und damit die Bauart der Ringe bestimmt.

Zeppelin	Längsträgerabstand	Schiffslänge
LZ 1	1,5m	128m
LZ 2	3m	126m
LZ 26	5m	161m
LZ 100	3-3,5m	197m
LZ 126	3.3,5m	201m
LZ 129	3-3,5m	245m

Bei LZ 1 war die Entfernung der Ringe so groß, dass drei elastische Zugbänder benötigt wurden, um die Längsträger zusätzlich zu stützen. Danach konnte man bis zum LZ 16 aufgrund der erhöhten Steifigkeit der Dreiecksträger auf die Zwischenstützen komplett verzichten. Erst durch das Anwachsen des Durchmessers und durch die gleichzeitige Vergrößerung der Entfernung der Längsträger wurden ab dem LZ 26 komplett geschlossene Hilfsringe verbaut. Somit konnte die Entfernung der Hauptringe erheblich gesteigert werden, da die Längsträger für die wesentlichsten Beanspruchungen auf 5 m als gestützt betrachtet werden konnten. Diese Aufteilung war so Ideal, dass sie fortwährend beibehalten wurde. Später, ab dem LZ 100, fand man heraus, dass die größte Gewichtsersparnis gegenüber guter Steifigkeit bei einem Längsträgerabstand von 3-3,5 m lag.

Montage

Die riesigen Ringe mit einem Durchmesser von bis zu 41 Meter wurden in einen eigens dafür konzipierten Montagering, der aus einem steifen Duralumingerüst in Prismenform bestand, auf dem Boden der Halle zusammengesetzt und aus der waagerechten in die senkrechte Position an speziellen Aufhängeösen aufgerichtet. Durch Schienen am Hallendach konnte der Ring mit Hilfe der Montagebühne an seinen Zielort verschoben und daraufhin durch die Längsträger miteinander verbunden werden. Die zeitgünstigste Variante war es, mit dem Mittelrumpf zu beginnen und sich nach außen zu arbeiten. Nach dem Verbinden aller Ringe, folgten die schon vorher montierten Laufgangs- und Leitwerkteile, die im Ganzen eingesetzt wurden. Teile des Bugs und Hecks konnten mit Vorteil stehend montiert und als geschlossenes Ganzes im letzten Schritt an den Schiffskörper angefügt werden.

Verspannungen

Aufgabe der Ringverspannung

o Steifigkeit der Ringe
Die Ringverspannung verband alle Knotenpunkte des Ringes mit einer gewissen Vorspannung. Da die Stahldrähte nur auf Zug belastet werden konnten, wurden die Auftriebs- und Lastkräfte günstig im Ring verteilt.
o Wirkung als Schottwand
Zum einen diente die radiale Verspannung als Trennwand zwischen den Gaszellen und andererseits mussten die hohen Druckkräfte des Gases aufgenommen werden. Diese betrugen bei LZ 129 bis zu 26t.

Entwicklung

o LZ 1
" nur jeder zweite Knotenpunkt wurde verbunden und es entstanden große freie Felder, die eine Gefahr durch den Gasdruck der Gaszellen darstellten
" extra Schnurnetz, um die freien Felder zu minimieren
" ein Ringfachwerk aus Segmentdrähten zwischen allen Knotenpunkten sorgte für zusätzliche Verspannung

o LZ 2
" neue symmetrische, strahlförmige Anordnung der Verspannungsdrähte von jeder Ecke des Ringes führen zu einer gleichmäßig, um den Kreisumfang verteilten, Anfangsspannung
" günstige Aufnahme von Spannungen, die durch den seitlichen Gasdruck auftraten und zu unerwünschten Verformungen führen konnte
" dieses Grundprinzip wurde bis zu LZ 126 weiterentwickelt

o LZ 129
" neuartige zentrale Verspannung der Hauptringe ist bei dieser Rumpfdimension unerlässlich
" Hilfsringe bestanden nur aus einfachen Dreiecksträgern und wurden nicht verspannt

Materialien

o alle bisherigen LZ
Hochfeste Stahldrähte

o LZ129
Neu entwickelte Sonderdrahtseile mit besonders hoher Festigkeit und geringerem Elastizitätsmodul
" 25% Gewichtseinsparung

Aufgabe der Diagonalverspannung

o Günstige Kraftverteilung
Durch die diagonale Verspannung der Längsträgerfelder entsteht an der Schiffsaußenfläche ein räumliches Fachwerk zur Aufnahme der Kräfte im Rumpf
o Flatterfreie Umhüllung
Das Spannen der Hülle musste mit Hilfe der Diagonalverspannung erleichtert werden, um die Oberflächenreibung möglichst gering zu halten

Entwicklung der Diagonalverspannung

o LZ 1
" Stützen der Längsträger alle 2m
" äußere Begrenzung der Gaszellen
" Material: Aluminiumbronzedraht

o LZ 7
" zusätzliche Verspannungsdrähte an der Hülle wurden benötigt, um die höheren Querkräfte aufzunehmen, die aber nicht durch die Gaskräfte hervorgerufen wurden

o LZ 62
" durch weitere Erhöhung der Querkräfte infolge des wachsenden Rupmfdurchmessers wurde bei der festen Diagonalverspannung Wert darauf gelegt, den stärker und höher ausgebildeten Längsträgern, die von den verspannten Ringecken ausgingen, besondere Kräfte zuzuführen
" der Gasdruck konnte allein von der losen Feldverspannung aufgenommen werden

o LZ 100
" es wurden vor allem die Knotenpunkte verbunden, um die oberen stark durch Gasdrücke auf Biegung beanspruchten Längsträger in der Mitte zu stützen
" die feste Diagonalverspannung liegt wie bei LZ 62 in angemessenem Abstand unter der Außenhülle

o LZ 126
" Neuartige Verspannung um den ganzen Umfang mindert Ausknickungsgefahr der Längsträger an Kreuzpunkten
" fortschrittliche Anordnung der losen Feldverspannung sorgte dafür, dass die auf das Drahtnetz übertragenen Gaskräfte unmittelbar in die Fachwerkknotenpunkte übertragen werden, ohne die Längsträger auf seitliche Biegung zu beanspruchen
" auftretende Gaskräfte wurden durch weitere Diagonaldrähte zwischen Haupt- und Hilfsringen aufgenommen
" zusätzliches Schnurnetz (Ramieschnurnetz) zum Schutz und zur Unterstützung der Gaszellen

Steg

Das Rückgrat des Zeppelinluftschiffes ist der sogenannte Kiellaufgang. Er befindet sich seit dem ersten Zeppelin an der Unterseite des Schiffes und erstreckt sich über den tragenden Teil des Schiffskörpers vom Bug bis zum Heck.

Aufgaben des Kiellaufgangs

o Aufnahme der Betriebs- und Nutzlasten
o Lastübertragung auf die Hauptträger
o Verbindung zwischen den Gondeln

Entwicklung des Kiellaufgangs

LZ 1:
Der Laufgang wurde mit Seilen unterhalb des Kreisquerschnittes schlaff aufgehängt und diente ausschließlich zur Fortbewegung. Nach der Erstfahrt umgebaut und mit Diagonalstreben fest an das Gerippe angeschlossen.

LZ 2:
Verstärkung des Kiellaufgangs durch steife, sich kreuzende Diagonalen, die tragend mit der Struktur verbunden waren

LZ 7:
Erneuerung durch steife, senkrechte Streben und sich kreuzenden Drahtdiagonalen

LZ 18:
Verlagerung des Kiellaufgangs in das Innere des Kreisquerschnittes

o Vorteile
" geringere Hallenhöhe notwendig
" verbesserte Gasabführung
" günstigere Anordnung der Maschinengondeln
" vorteilhaftere aerodynamische Form
o Nachteil
" erhöhte Unfallgefahr durch menschliches Versagen

LZ126:
Geschickte Neupositionierung des Kiellaufgangs in die untere Hälfte des Ringes. Das regelmäßige 24-Eck wurde auf 22 Ecken gestutzt und das untere Ringseitenpaar kielförmig nach außen hinausgeschoben. Somit fand der neue Kiellaufgang unterhalb der Gaszellen Platz und wirkte sich äußerst positiv auf die Festigkeit des Schiffes aus. Die neue Lösung war statisch und aerodynamisch ein voller Erfolg.

Neuerungen ab LZ 127: Der Achssteg

Die Innovation des Jahres 1928 war ein begehbarer, unterhalb der Drehachse über die ganze Schiffslänge laufender Achssteg. Dieser wurde das erste Mal bei der Graf Zeppelin verbaut und blieb bis zum letzten Schiff bestehen.

o Vorteile
" bessere Überwachung der einzelnen Traggas- und Treibgaszellen
" Aufnahme der seitlichen Gaskräfte auf die Schottwand
" Entlastung des Hauptrings durch den Achssteg

Bei der Verwendung von Helium fällt die Ausrüstung des Zeppelin mit Doppelgaszellen weg und daher sollte auch der begehbare Achssteg einem unter Vorspannung stehendem axialen Zugseil weichen, da die wichtige Überwachung der Gaszellen und Ventile nicht nötig gewesen wäre.< /p>

Der Achssteg als zentraler Fixpunkt

In der Hindenburg diente der Achssteg erstmals auch als zentraler Fixpunkt der Hauptringverspannung. Die Verspannungsdrähte verliefen von dort aus radial nach außen und sind vor Erreichen des Umfangs durch Beiholer so abgelenkt, dass immer nur jede zweite Ringecke verspannt ist.