Gekoppelte Ausfallkriterien

Fachbeitrag

Erhöht man bei einem spröden Balkenelement (unbewehrter Betonträger) die Biegebelastung über die Biegetragfähigkeit, reagiert das Tragwerk mit einem Bruch des Querschnitts und der Stab wird in zwei Segmente zerteilt. Die gebrochene Stelle verliert im Augenblick des Bruchs schlagartig Ihr Potential ein Biegemoment zu übertragen. Gleichzeit verliert die kritische Stelle aufgrund der Segmentierung aber auch die Möglichkeit andere Krafttypen wie zum Beispiel Normalkräfte zu übertragen.

Dieser Sachverhalt scheint beim Anblick des gebrochenen Querschnitts plausibel und realitätsnah. Bei der Simulation dieser Bruchthematik in einer FE Berechnungsumgebung stellen sich jedoch mehrere Herausforderungen. RFEM ist für solche Aufgabenstellungen vorbereitet und verfügt über nichtlineare Freigabeelemente zur Umsetzung der Bruchstelle über die verschiedenen Belastungsniveaus.

Freigabeelemente

Die Programmumgebung in RFEM bietet unter den Modelldaten Knoten-, Linien- und Flächenfreigaben an. Eine Freigabe beschreibt im Modell immer die Eigenschaften zwischen zwei Bauteilgruppen an einer ausgewählten Kontaktstelle. Die Eigenschaften zwischen den Bauteilgruppen können je Freiheitsgradrichtung (x, y, z, φx, φy, φz) affin zu einer Stabendgelenkseinstellung festgelegt werden. Die Freigaben geben hier neben einer kompletten Freischaltung der Richtung bis zu einem nichtlinearen Verformungsverhalten sehr viele Optionen für die Eigenschaftsdefinition an.

Bild 01 - Eigenschaften je Freigaberichtung

Generell reagieren alle Option bis auf die Nichtlinearitätseinstellung "Gekoppeltes Diagramm - ständige Freigabe" nur für die zugeordnete Richtung. Im Fall der gekoppelten Freigabe können die Freiheitsgrade miteinander verknüpft werden. Die Verknüpfung der Freiheitsgrade bezieht sich hier auf die Ausfallbedingung "Reißen" des jeweiligen Arbeitsdiagramms. Erreicht die Verformung an der jeweiligen Kontaktseite in eine bestimmte Richtung den Ausfallspunkt des zugeordneten Diagramms, so fällt an dieser Stelle neben der Verbindung in die eigentliche Richtung auch die Verbindung in allen anderen Richtungen mit der Einstellung "Gekoppeltes Diagramm - ständige Freigabe" aus. Für den gekoppelten Ausfall werden für die Freiheitsgrade in x- und y-Richtung der Ausfallspunkt im I. und III. Quadranten und für die z-Richtung der Ausfallspunkt im I. Quadranten des Diagramms herangezogen.

Bild 02 - Gekoppelter Ausfall

Die Freigabeelemente geben keine Koppelkräfte aus. Der Kraftübertrag ergibt sich aus der Unstetigkeit zwischen den Anschlussnachbarelementen.

Anwendung

Freigabeelemente können über das Menü "Einfügen" -> "Knoten-, Linien-, Flächenfreigabe" geöffnet werden. Die Elemente können nach Angabe einer Kontaktstelle (Knoten, Linie, Fläche), einer Kontakteigenschaft (Freigabetyp) und einer Angabe, welche Elemente zu einer Nachbargruppe (freigegebene Elemente) gehören, in das Modell überführt werden. Das Programm kopiert dann im Hintergrund die Kontaktstelle und weist den ausgewählten Nachbarelementen (freigegebene Elemente) diese generierte Definition zu. Die Elemente auf der anderen Nachbarseite verbleiben wie sie sind. Zwischen der ursprünglich definierten Kontaktstelle und der kopierten Kontaktstelle wird die definierte Kontakteigenschaft festgelegt.

Bild 03 - Freigabeelement

Mit dieser Funktion eröffnet RFEM ein komplett neues Anwendungsgebiet: Inmitten von Tragstrukturen aus Stäben, Schalen und Volumen können unstetige Verbindungen wie zum Beispiel Risse, Druckkontakt, spröde Fugen etc. simuliert werden.

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