Materialien

Materialien werden für die Definition von Flächen, Querschnitten und Volumenkörpern benötigt. Die Materialeigenschaften fließen in die Steifigkeiten dieser Objekte ein.

Name

Sie können einen beliebigen Namen für das Material festlegen. Wenn die Bezeichnung mit einem Eintrag der Bibliothek übereinstimmt, liest RFEM die hinterlegten Materialkennwerte ein. Um das Material in der Bibliothek auszuwählen, klicken Sie auf die Schaltfläche am Ende der Eingabezeile. Die Übernahme von Materialien ist im Kapitel Materialbibliothek beschrieben.

Bei Materialien aus der Bibliothek sind die 'Grundlegenden Materialkennwerte' fest eingestellt und nicht veränderbar. Möchten Sie benutzerdefinierte Kennwerte des Materials verwenden, so haken Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material an (siehe Abschnitt Benutzerdefiniertes Material).

Basis

Das Register Basis verwaltet die grundlegenden Materialparameter. Es bietet auch Steuerungsmöglichkeiten für besondere Eigenschaften, die Sie in zusätzlichen Registern festlegen können.

Kategorien

In diesem Abschnitt legen Sie den Materialtyp und das Materialmodell fest.

Materialtyp

Der Materialtyp steuert, welche Parameter und Beiwerte bei der Bemessung relevant sind. Diese Klassifizierung gibt auch die Teilsicherheitsbeiwerte des Materials vor, die je nach Norm bei der Bemessung berücksichtigt werden.

Bei einem Material der Bibliothek ist einer der folgenden Materialtypen voreingestellt.

Materialmodell

In der Liste stehen folgende Materialmodelle zur Auswahl:

Isotrop | Linear elastisch

Die linear-elastischen Steifigkeitseigenschaften des Materials sind unabhängig von der Richtung. Sie lassen sich wie folgt beschreiben:

Es gelten folgende Bedingungen:

• E > 0
• G > 0
• -1 < ν ≤ 0,5 (für Flächen und Volumenkörper; für Stäbe nach oben unbegrenzt)

Die Nachgiebigkeitsmatrix (Umkehrung der Steifigkeitsmatrix) lautet für Flächen:

Orthotrop | Linear elastisch (Flächen)

Bei diesem Materialmodell können Steifigkeitseigenschaften definiert werden, die in die beiden Flächenrichtungen x und y unterschiedlich ausgeprägt sind. Damit lassen sich beispielsweise die Eigenschaften von glasfaserverstärktem Kunststoff, Rippendecken oder die Spannrichtungen bewehrter Decken abbilden. Die Flächenachsen x und y stehen in der Flächenebene senkrecht zueinander.

Um unterschiedliche Materialeigenschaften für die x- und y-Richtung zu definieren, aktivieren Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material. Im Register Orthotrop | Linear elastisch (Flächen) können Sie dann die Parameter des Materials festlegen.

Für eine positiv definite Steifigkeitsmatrix müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

• E_x > 0; E_y > 0
• G_yz > 0; G_xz > 0; G_xy > 0
• $$\left|{\mathrm{\nu }}_{\mathrm{xy}}\right|<\sqrt{\frac{{\mathrm{E}}_{\mathrm{x}}}{{\mathrm{E}}_{\mathrm{y}}}}$$

  Querdehnzahl

Die Querdehnzahl kann für beide Orthotropierichtungen definiert werden. Die Indizes für ν_xy und ν_yx sind dabei wie folgt belegt: Der erste Index steht jeweils für die Dehnung in Spannungsrichtung, der zweite Index für die negative Dehnung quer zur Spannungsrichtung.

Orthotrop | Linear elastisch (Volumenkörper)

Im dreidimensionalen orthotropen Materialmodell können die elastischen Steifigkeiten in alle Richtungen des Volumenkörpers getrennt definiert werden. Um unterschiedliche Materialeigenschaften für jede Richtung zu definieren, aktivieren Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material. Im Register Orthotrop | Linear elastisch (Volumenkörper) können Sie dann die Parameter des Materials festlegen.

Die aus den Eingaben ermittelten Steifigkeitsmatrixelemente werden im Register 'Orthotrop | Linear elastisch (Volumenkörper) - Steifigkeitsmatrix' angegeben.

Isotrop | Holz | Linear elastisch (Stäbe)

Dieses Materialmodell steht bei Materialien des Typs 'Holz' zur Auswahl. Damit können Sie beispielsweise die Eigenschaften einer OSB-Platte in einem Stabmodell abbilden, das die unterschiedlichen Steifigkeiten in Abhängigkeit von der Einbaulage erfasst. Die Lage der Platte können Sie im Register Isotrop | Holz | Linear elastisch (Stäbe) über die beiden Listen festlegen.

Orthotrop | Holz | Linear elastisch (Flächen)

Bei Materialien des Typs 'Holz' kann mit diesem Materialmodell der E-Modul hinsichtlich der Tragwirkung als Wand oder Platte sowie der Schubmodul G_xy gesteuert werden: OSB-Platten beispielsweise weisen je nach Einbaulage im Modell richtungsabhängige Steifigkeiten auf.

Die Steifigkeitsparameter können im Register Orthotrop | Holz | Linear elastisch (Flächen) definiert werden. Bei Holzmaterialien aus der Bibliothek sind Standardwerte voreingestellt. Um unterschiedliche Materialeigenschaften für jede Richtung zu definieren, aktivieren Sie zuvor im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material.

Grundlegende Materialkennwerte

In diesem Abschnitt des Registers 'Basis' sind die wichtigsten Kennwerte des Materials angegeben.

Elastizitätsmodul

Der E-Modul beschreibt das Verhältnis zwischen Normalspannung und Dehnung.

Schubmodul

Der Schubmodul G, auch Gleitmodul genannt, ist die zweite Kenngröße zur Beschreibung des elastischen Verhaltens eines linearen, isotropen und homogenen Materials. Die Verformung basiert in diesem Fall auf einer Schubspannung.

Querdehnzahl

Die Querdehnungszahl ν, auch Poissonzahl genannt, wird für die Ermittlung der Querkontraktion benötigt. Bei isotropen Materialien liegt die Querdehnzahl üblicherweise zwischen 0,0 und 0,5. Ab einem Wert von 0,5 (z. B. Gummi) ist daher anzunehmen, dass kein isotropes Material vorliegt.

Der Zusammenhang zwischen E-Modul, G-Modul und Querdehnzahl bei einem isotropen Material ist in Gleichung Querdehnzahl beschrieben.

Wenn Sie ein Benutzerdefiniertes Material mit seinen isotropen Eigenschaften eingeben, ermittelt RFEM die Querdehnzahl aus den Werten des E- und G-Moduls. Diese Voreinstellung können Sie bei Bedarf in der Liste 'Definitionstyp' ändern.

Definitionstyp

Spezifisches Gewicht / Dichte

Das spezifische Gewicht γ beschreibt das Gewicht des Materials je Volumeneinheit. Die Angabe ist insbesondere für den Lastfall "Eigengewicht" von Bedeutung: Die automatische Eigenlast des Modells wird aus dem spezifischen Gewicht und den Querschnittsflächen der verwendeten Stäbe bzw. den Flächen und Volumenkörpern ermittelt.

Die Dichte ρ beschreibt die Masse des Materials je Volumeneinheit. Diese Angabe wird für dynamische Untersuchungen benötigt.

Wärmedehnzahl

Die Wärmedehnzahl α beschreibt den linearen Zusammenhang zwischen Temperatur- und Längenänderungen (Dehnung des Materials bei Erwärmung, Stauchung bei Abkühlung).

Die Wärmedehnzahl ist für die Lastarten 'Temperatur' und 'Temperaturänderung' relevant.

Optionen

Die Kontrollfelder in diesem Abschnitt des Registers 'Basis' ermöglichen es, die Materialeigenschaften zu beeinflussen. Nach dem Aktivieren einer Option werden neue Register ergänzt.

Benutzerdefiniertes Material

Bei Materialien aus der Bibliothek sind die Materialkennwerte fest voreingestellt. Sie können daher in den Eingabefeldern nicht direkt geändert werden. Um die Eigenschaften eines Material anzupassen, aktivieren Sie das Kontrollfeld 'Benutzerdefiniertes Material'. Damit werden die Eingabefelder der grundlegenden Materialkennwerte im Register 'Basis' zugänglich. Ebenso können Sie im Register 'Materialwerte' die bemessungsspezifischen Kennwerte ändern (siehe Bild Materialkennwerte anpassen). Im Register 'Steifigkeitsmodifizierung' besteht die Möglichkeit, den E- und G-Modul global mit einem Faktor zu skalieren (siehe Bild Materialsteifigkeit anpassen).

Temperaturabhängig

Um ein linear elastisches Material mit temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungseigenschaften zu definieren, aktivieren Sie die Kontrollfelder 'Benutzerdefiniert' und 'Temperaturabhängig'. Sie können dann die temperaturabhängigen Materialkennwerte im Register Temperaturabhängig festlegen.

Kostenschätzung

Für die Ermittlung der Kosten werden die Materialien herangezogen, die den einzelnen Objekten zugewiesen sind. Sie können die Stückkosten und Einheiten der Objekte im Register Kostenschätzung festlegen.

Abschätzung der CO₂-Emissionen

Auch die Abschätzung der CO₂-Emissionen basiert auf den Materialien, die den einzelnen Objekten zugewiesen sind. Sie können die Stückkosten und Einheiten im Register Abschätzung der CO₂-Emissionen festlegen.

Benutzerdefinierte Textur

Mit einer benutzerdefinierten Textur können Sie dem Material eine Oberflächenstruktur zuweisen. Die Objekte werden dann im Rendering sehr realistisch dargestellt. Wählen Sie im Register 'Benutzerdefinierte Textur' einen vorhandenen Eintrag aus oder definieren mit der Schaltfläche eine neue Textur (siehe Kapitel Texturen).

Materialwerte

Im Register Materialwerte sind sämtliche Materialkennwerte angegeben, die für die statische Analyse und die Bemessung in den Add-Ons eine Rolle spielen.

Steifigkeitsmodifizierung

Das Register Steifigkeitsmodifizierung wird angezeigt, wenn Sie im Register 'Basis' die Option Benutzerdefiniertes Material angehakt haben. Sie können hier die Steifigkeit des Materials global anpassen, beispielsweise um Sicherheitsfaktoren oder abgeminderte Materialeigenschaften zu berücksichtigen.

In der Liste des Abschnitts 'Modifizierungstyp' stehen zwei Möglichkeiten zur Auswahl:

• Teilungsfaktor für E- und G-Module
• Multiplikationsfaktor für E- und G-Module

Geben Sie im Abschnitt 'Parameter' den Faktor an, mit dem die Materialsteifigkeit angepasst werden soll.

Liegt ein Material mit orthotropen Eigenschaften vor, können im Register Orthotrop | Linear elastisch die E- und G-Module sowie die Querdehnzahlen angepasst werden (siehe Bild Steifigkeitsmatrix). Wenn Sie im Register Orthotrop | Linear elastisch | Steifigkeitsmatrix die Option 'Steifigkeitsmatrixelemente setzen' aktivieren, können Sie auch die Steifigkeitsmatrixelemente manuell festlegen.

Temperaturabhängig

Das Register Temperaturabhängig wird angezeigt, wenn Sie im Register 'Basis' die Optionen Benutzerdefiniertes Material und Temperaturabhängig angehakt haben. Sie können hier die temperaturabhängigen Kennwerte des Materials beschreiben. Die temperaturabhängigen Materialeigenschaften werden für Objekte berücksichtigt, die durch Temperatur oder Temperaturänderung thermisch beansprucht sind. Bei der Berechnung der Temperaturlasten wird die Endtemperatur des jeweiligen Schritts angesetzt.

Wählen Sie in der Liste 'Temperaturabhängiger Kennwert' einen Materialkennwert aus, beispielsweise den E-Modul. Erzeugen Sie dann mit der Schaltfläche die erforderlichen Tabellenzeilen, damit Sie die Temperaturen mit den zugehörigen Werten zeilenweise eintragen können. Mit der Schaltfläche lassen sich die Daten auch aus einer Excel-Tabelle importieren.

Die 'Referenztemperatur' legt die Steifigkeiten für die Objekte fest, die keine Temperaturlasten aufweisen. Bei einem Referenzwert von beispielsweise 300 °C wird für alle Stäbe und Flächen der reduzierte E-Modul dieses Punkts der Temperaturkurve angesetzt.

Benutzerdefinierte Materialbibliothek

Sie können ein benutzerdefiniertes Material in einer Bibliothek als Vorlage speichern. So brauchen Sie die Materialeigenschaften in weiteren Projekte nicht nochmals definieren.

Material speichern

Um das aktuelle Material als benutzerdefiniertes Material zu speichern, klicken Sie nach dem Festlegen der Materialkennwerte unten im Abschnitt 'Grundlegende Materialkennwerte' auf die Schaltfläche .

Es erscheint der Dialog 'Neues benutzerdefiniertes Material'.

Tragen Sie im Feld 'Name' die Bezeichnung des Materials ein. Gegebenenfalls können Sie noch die Materialkennwerte anpassen. Mit OK speichern Sie dann das benutzerdefinierte Material in der Bibliothek ab.

Material einlesen

Um ein benutzerdefiniertes Material aus der Bibliothek einzulesen, klicken Sie im Abschnitt 'Grundlegende Materialkennwerte' auf die Schaltfläche .

Es erscheint der Dialog 'Benutzerdefiniertes Material bearbeiten'. In dieser Bibliothek mit Ihren gespeicherten Materialien (siehe Bild Dialog 'Neues benutzerdefiniertes Material') können Sie den passenden Eintrag auswählen und dann mit OK übernehmen.

Wenn Sie ein benutzerdefiniertes Material eingelesen haben und die Eigenschaften generell ändern möchten, können Sie die Materialkennwerte über die Schaltfläche (im Abschnitt 'Grundlegende Materialkennwerte') in der Bibliothek anpassen.

Speicherort der Bibliothek festlegen

Die Bibliothek mit den benutzerdefinierten Material ist per Voreinstellung in der Datei user_library_material.dbm im Verzeichnis der Benutzerkonfigurationen abgelegt. Dieses Verzeichnis können Sie bei den Programmoptionen überprüfen.

Selektieren Sie in der Kategorie Datenbank den Eintrag Benutzer-Materialbibliothek (1). Lassen Sie dann den Ordner der Datei user_library_material.dbm über die Schaltfläche anzeigen (2). Wenn Sie eine andere Materialbibliothek verwenden möchten, die sich auf einem Netzlaufwerk Ihres Unternehmens befindet, legen Sie das Verzeichnis der Datei fest und klicken auf 'Speichern'. Sie können Ihre Datei aber auch auf einen anderen Rechner übertragen und dort im gleichen Dialog den Speicherpfad passend einstellen.

Kostenschätzung

Das Register Kostenschätzung wird angezeigt, wenn Sie im Register 'Basis' die Option Kostenschätzung angehakt haben.

Haken Sie bei den Strukturobjekten 'Stäbe', 'Flächen' und 'Volumenkörper' an, welche Kenngröße des Materials jeweils für die Kostenschätzung relevant ist: Gewicht, Volumen oder Fläche etc.

Tragen Sie in der Spalte 'Stückkosten' den Wert ein, den eine Einheit des Materials kostet. In der Liste der Spalte 'Einheit' stehen verschiedene Möglichkeiten für die Einheitskosten zur Auswahl.

Aus den Stückkosten und den Eigenschaften der Strukturobjekte, die dem Material zugeordnet sind, ermittelt das Programm direkt die anteiligen Kosten.

Das 'Summengewicht' am Ende der Tabelle zeigt die Masse an, die sich aus der Aufsummierung aller aktivierten Teilmassen-Gewichte des Materials ergibt. Ferner wird der Anteil des Summengewichts ausgewiesen, den dieses Material an der Masse aller Materialien hat, die für die Kostenschätzung aktiviert sind.

Die 'Summenkosten' zeigen den Preis an, der sich aus der Aufsummierung aller aktivierten Teilkosten des Materials ergibt. Ferner wird der Anteil der Kosten ausgewiesen, den dieses Material am Gesamtpreis aller Materialien hat, die für die Kostenschätzung aktiviert sind.

Die 'Gesamtkosten' ergeben sich aus der Addition der Summenkosten aller Materialien, die für die Kostenschätzung aktiviert sind.

Abschätzung der CO₂-Emissionen

Das Register Abschätzung der CO₂-Emissionen wird angezeigt, wenn Sie im Register 'Basis' die Option Abschätzung der CO₂-Emissionen angehakt haben.

Haken Sie bei den Strukturobjekten 'Stäbe', 'Flächen' und 'Volumenkörper' an, welche Kenngröße des Materials jeweils für die Abschätzung der CO₂-Emissionen relevant ist: Gewicht, Volumen oder Fläche etc.

Tragen Sie in der Spalte 'Einheitsemission' den Wert ein, den eine Einheit des Materials an CO₂ verursacht. In der Liste der Spalte 'Einheit' stehen verschiedene Emissionseinheiten für CO₂-Äquivalente zur Auswahl.

Aus den Einheitsemissionen und den Eigenschaften der Strukturobjekte, die dem Material zugeordnet sind, ermittelt das Programm die anteiligen CO₂-Emissionen. Die Berechnung erfolgt somit direkt und nicht wie in anderen Add-Ons über eine separate Funktion.

Die 'Summenemission' zeigt die CO₂-Äquivalente an, der sich aus der Aufsummierung aller aktivierten Teilemissionen des Materials ergeben. Ferner wird der Anteil der Emissionen ausgewiesen, den dieses Material an den Gesamtemissionen aller Materialien hat, die für die Abschätzung aktiviert sind.

Die 'Gesamtemission' ergibt sich aus der Addition der Summenemissionen aller Materialien, die für die Abschätzung der CO₂-Emissionen aktiviert sind.