Algorithmen für den Entwurf und die Analyse von Membrankonstruktionen

Seil- und Membrankonstruktionen gelten als sehr schlanke und ästhetische Baukonstruktionen. Die teils sehr komplexen doppelt gekrümmten Formen können über geeignete Formfindungsalgorithmen gefunden werden. Ein möglicher Lösungsansatz ist hier zum Beispiel die Formensuche über das Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung (vorgegebene Vorspannung und zusätzliche Last wie Eigengewicht, Druck etc.) und den gegebenen Randbedingungen.

Das Zusatzmodul RF-FORMFINDUNG ermittelt in RFEM Gleichgewichtsformen von Membran- und Seilelementen. In diesem Berechnungsprozess sucht das Programm für die Membran- und Seilelemente eine geometrische Lage, in der die Oberflächenspannung/Vorspannung der Membranen und Seile im Gleichgewicht mit den natürlichen und geometrischen Randreaktionen steht. Dieser Prozess heißt Formfindung (nachfolgend FF genannt). Die FF-Berechnung wird in RFEM global in den "Basisangaben" eines Modells im Register "Optionen" aktiviert. Nach Aktivierung werden in RFEM ein Lastfall beziehungsweise ein Berechnungsprozess mit dem Namen RF-FORMFINDUNG angelegt und für die Seil- und Membraneingabe zusätzlich FF-Parameter zur Definition der Oberflächenspannung und Vorspannung freigeschaltet. Die Aktivierung der FF-Option bedeutet für das Programm, dass vor der reinen strukturellen Berechnung der Schnittgrößen, Verformung, Eigenwerte etc. immer zuerst der Formfindungsprozess gestartet und für die Folgeberechnung ein entsprechend vorgespanntes Modell vorgegeben wird.

In RFEM besteht die Option zur Kopplung von Flächen mit dem Steifigkeitstypen „Membran“ und „Membran-Orthotrop“ mit den Materialmodellen „Isotrop nichtlinear elastisch 2D/3D“ und „Isotrop plastisch 2D/3D“ (Zusatzmodul RF-MAT NL erforderlich).

Diese Funktionalität erlaubt die Simulation des nichtlinearen Dehnungsverhaltens von z. B. ETFE-Folien.

Mit Hilfe der Lastart Pfützenbildung können Sie Regeneinwirkungen auf mehrfach gekrümmte Flächen unter Berücksichtigung der Verschiebungen nach Theorie III. Ordnung simulieren.

Dieser numerische Regenvorgang untersucht die zugeordnete Flächengeometrie und legt fest, welche Regenanteile abfließen und welche sich in Pfützen (Wassersäcken) auf der Fläche sammeln. Die Pfützengröße ergibt dann für die statische Analyse eine entsprechende Vertikallast.

Dieses Feature lässt sich beispielsweise für die Analyse von annähernd horizontalen Membrandachgeometrien unter einer Regenbelastung anwenden.

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Im Vergleich zum Zusatzmodul RF-FORMFINDUNG (RFEM 5) sind im Add-On Formfindung für RFEM 6 folgende neuen Features hinzugekommen:

• Vorgabe aller formgebenden Lastrandbedingungen in einem Lastfall
• Ablage der Formfindungsergebnisse als Anfangszustand für weitere Modellanalyse
• Automatische Zuordnung des Formfindungs-Anfangszustands über Kombinationsassistenten zu allen Lastsituationen einer Bemessungssituation
• Zusätzlich formgebende Geometrierandbedingungen für Stäbe (Unbelastete Länge, Maximaler vertikaler Durchhang, Vertikaler Tiefpunktdurchhang)
• Zusätzliche formgebende Lastrandbedingungen für Stäbe (Maximale Kraft im Stab, Minimale Kraft im Stab, Horizontale Zugkomponente, Zug am Ende i, Zug am Ende j, Mindestzug am Ende i, Mindestzug am Ende j)
• Materialtyp “Gewebe” und “Folie” in Materialbibliothek
• Parallel Formfindungen in einem Modell
• Simulation von sich nacheinander aufbauenden Formfindungszuständen in Verbindung mit dem Add-On Analyse von Bauzuständen (CSA)