Schöck Isokorb® in der FEM-Berechnung von RFEM berücksichtigen

Fachbeitrag

Der Wärmeverlust durch außenliegende Bauteile ohne thermische Entkoppelung von den Innenbauteilen ist enorm. Aus diesem Grund werden außenliegende Bauteile durch den Einsatz von Spezialeinbauteilen thermisch von der Gebäudehülle getrennt. Beim Anschluss einer Balkonplatte an eine Stahlbetondecke kann zum Beispiel ein Schöck Isokorb® oder ein HIT Iso-Element von Halfen eingesetzt werden. Für die Bemessung der Einbauteile ist die jeweilige Zulassung zu berücksichtigen. Nachfolgend wird exemplarisch die Berücksichtigung eines Schöck Isokorbes® in der FEM-Berechnung gezeigt.

Strukturmodellierung

Die thermische Trennung von Außen- und Innenseite erfolgt in der Regel durch den Einsatz eines Dämmstreifens aus Polystyrol-Hartschaum. Beim Schöck Isokorb® werden die Zugkräfte mittels nichtrostendem Stahl und die Druckkräfte mittels microstahlfaser-bewehrtem Hochleistungsfeinbeton mit PE-HD-Kunststoffummantelung durch die Dämmschicht geleitet. Eine Übertragung von Drillmomenten durch die Dämmschicht ist dadurch nicht möglich. Je nach gewähltem Typ des Isokorbes® können Momente und/oder Querkräfte übertragen werden. Diese eingeschränkte Kraftübertragung muss in der statischen Berechnung berücksichtigt werden.

Die Technische Information nach EC 2 [1] für den Isokorb® beinhaltet eine FEM-Richtlinie, in der die Modellierung beschrieben ist. Die Firma Schöck empfiehlt darin nachfolgende Vorgehensweise für die Bemessung eines Schöck Isokorbes® mittels der Finiten-Element-Methode:

  • Außenbauteil von der Tragstruktur entkoppeln.
  • Ermittlung der Schnittgrößen am Auflager des Außenbauteils unter Berücksichtigung von Auflagerfederwerten (Empfehlung für Schöck Isokorb®). Näherungsweise empfohlene Federwerte für den Schöck Isokorb®:
    10.000 kNm/rad/m für die Einspannfeder
    250.000 kN/m² für die Senkfeder
  • Wählen des Isokorb®-Typs mit den ermittelten Bemessungswerten für die Querkraft vEd und das Moment mEd.
  • Aufbringen der errechneten Querkraft vEd und des Moments mEd als äußere Randlast auf die Tragstruktur, zum Beispiel Deckenplatte.

Bild 01 - Statisches System für Schöck Isokorb® Typ K aus [1]

Durch die Entkoppelung des Außenbauteils von der Tragstruktur des Gebäudes müssen die Lasten aus dem Außenbauteil manuell als zusätzliche Randlasten auf die Tragstruktur aufgebracht werden. Wie in Bild 2 gezeigt, wurde eine Balkonplatte von der Decke entkoppelt modelliert und die Auflagerkräfte der Balkonplatte als Randlast für die Deckenplatte definiert.

Bild 02 - Entkoppelte Bemessung von Außenbauteil und Tragstruktur

Modellierung in RFEM mittels Liniengelenk

Um den zusätzlichen Aufwand für das Aufbringen der Randlasten aus dem Außenbauteil zu vermeiden, kann in RFEM das Außenbauteil zusammen mit der Tragstruktur modelliert werden. Damit die eingeschränkte Kraftübertragung durch den Isokorb® richtig in der FEM-Berechnung berücksichtigt wird, muss aber an der Schnittlinie zwischen Außenbauteil und Innenbauteil (Einbauort des Isokorbes®) eine sogenanntes Liniengelenk angeordnet werden. Durch die Festlegung der Gelenkeigenschaften kann gezielt Einfluss auf den Kraftfluss genommen werden. Das Liniengelenk ist dabei auf der Außenseite (Balkonseite) anzuordnen. Es ist zu beachten, dass bei Liniengelenken keine Nichtlinearitäten für die Gelenkeigenschaften definiert werden können. Für die allgemeine Anwendung des Isokorbes®, zum Beispiel für eine Balkonkragplatte, bei der das Moment und die Querkraft nur in eine Richtung wirken, ist das Liniengelenk ausreichend.

Bild 03 - Definition eines Liniengelenkes mit den Isokorb®-Eigenschaften

Modellierung in RFEM mittels Linienfreigabe

Je nach gewähltem Isokorb®-Typ sind die übertragbaren Schnittgrößen unterschiedlich. So können je nach Typ Momente und Querkräfte auch nur in eine Richtungen übertragen werden. Für die Definition einer nichtlinearen Kraftübertragung (zum Beispiel Ausfall in eine Richtung) an der Anschlusslinie zwischen Außen- und Innenbauteil kann in RFEM eine Linienfreigabe verwendet werden. Im ersten Schritt muss ein Linienfreigabetyp mit den entsprechenden Eigenschaften des gewählten Isokorbes® definiert werden. Um die Federwirkung in eine Richtung zu deaktivieren, ist in der Combobox für die "Nichtlinearitäten" die Option "Teilweise Wirkung…" zu wählen und in den zugehörigen Details die Option "Federausfall" in der entsprechenden Richtung zu aktivieren. In Bild 4 sind die Eigenschaften eines Isokorbes® Typ K mit der Möglichkeit zur Übertragung einer Momentenrichtung (oben Zug) und einer Querkraftrichtung gezeigt.

Bild 04 - Linienfreigabetyp mit den nichtlinearen Eigenschaften

Der in Bild 4 gezeigte Linienfreigabetyp wird im Anschluss als Linienfreigabe an der Anschlusslinie zwischen Außen- und Innenbauteil definiert.

Bild 05 - Definition einer Linienfreigabe mit den nichtlinearen Isokorb®-Eigenschaften

Ergebnisauswertung

Für die Bemessung des Isokorbes® werden die zu übertragenden Bemessungsschnittgrößen benötigt. Bei der entkoppelten Modellierung der Bauteile gemäß Bild 1 können die Auflagerkräfte des Außenbauteils verwendet werden. Wurde ein Liniengelenk oder eine Linienfreigabe für die Modellierung verwendet, so können die zu übertragenden Schnittgrößen durch die "Ergebnisanzeige an Schnitten" angezeigt werden. Man generiert dabei einen Schnitt an der Anschlussline (Isokorb®) und wählt für die Ergebnisausgabe die Flächennummer des Außenbauteils aus. In Bild 6 werden die Plattenbiegemomente mx für die oben beschriebenen Modellierungsmethoden gegenübergestellt. Man kann hier eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse für die einzelnen Modellierungsarten erkennen.

Bild 06 - Gegenüberstellung der Biegemomente mx für die einzelnen Modellierungsansätze

Literatur

[1]  Technische Information nach EC2 - Schöck Isokorb® mit 80 mm Dämmung. Baden-Baden: Schöck Bauteile GmbH, April 2016. Download
[2]  Handbuch RFEM 5. Tiefenbach: Dlubal Software, Februar 2016. Download

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