In RFEM 6 ermöglichen die Lasttypen Wasseransammlung und Schnee die Simulation von Lastverteilungen, die sich während der Analyse an verändernde Oberflächengeometrien anpassen. Diese Anpassung wird durch iterative Aktualisierung der Lastverteilung basierend auf der tatsächlichen Form der Oberfläche erreicht. Die Last kann sich auf die angrenzenden unbelasteten Oberflächen ausbreiten, sich in den niedrigsten Bereichen ansammeln oder möglicherweise von der Oberfläche abfallen.
Diese Lasttypen sollen die Genauigkeit der Lastanwendung und der Simulation des Strukturverhaltens erhöhen. RFEM 6 berücksichtigt die tatsächliche Geometrie der Oberfläche während jeder Iteration und stellt so sicher, dass die Lastverteilungen für komplexe strukturelle Bedingungen, wie etwa Regenansammlungen auf Dächern oder Schneeansammlungen auf Oberflächen mit unterschiedlichen Neigungen, möglichst realistisch sind. Da der Lasttyp "Schnee" in den Kundenversionen noch nicht als Oberflächenlast verfügbar ist, wird er in einem zukünftigen Knowledge-Base-Artikel behandelt. Dieser Artikel beschäftigt sich ausschließlich mit dem Lasttyp "Pfützenbildung".
Lasttyp Pfützenbildung
Der Lasttyp Pfützenbildung (verfügbar als Flächenlast in RFEM 6) simuliert den Effekt von Regen auf Oberflächen unter Berücksichtigung der Verschiebungen nach der großen Verformungsanalyse. Diese Funktion ist besonders nützlich für die Modellierung der Ansammlung von Regenwasser auf membranartigen Dächern, anderen mehrkurvigen Oberflächen und Flachdächern. Der Algorithmus bewertet die Oberflächengeometrie und bestimmt, welche Teile des Regens abfließen und welche sich in Pfützen (Wasseransammlungen) auf der Oberfläche sammeln. Die Größe dieser Pfützen wird dann verwendet, um die entsprechende Last für die Struktur zu berechnen.
Bei dem Effekt der Pfützenbildung wird Folgendes berücksichtigt:
Erkennung des Einzugsgebiets
Der erste Schritt bei der Anwendung dieses Lasttyps besteht darin, Einzugsgebiete auf der Oberfläche zu erkennen. Dieser Prozess beginnt mit der Identifizierung lokaler Minima, also der niedrigsten Punkte im Netz (dargestellt durch den orangefarbenen Knoten in Bild 1).
Sobald die niedrigsten Punkte identifiziert sind, definiert der Algorithmus das konvexe umgebende Gebiet, das alle finiten Elemente umfasst, die von der Last beeinflusst werden, unabhängig von ihrem ursprünglichen Oberflächenniveau. Dann wird eine Begrenzungsschicht bestimmt, und der Abflussknoten (roter Knoten in Bild 1), der der niedrigste Punkt der Begrenzungsschicht ist, wird identifiziert. Dies ist der Punkt, an dem das Wasser von der Oberfläche abfließt und der die horizontale Oberflächenebene der detektierten Pfütze (orange gestrichelte Linie in Bild 1) festlegt. Daher werden nur die Elemente unter dieser Ebene überflutet.
Das Einzugsgebiet wird iterativ aktualisiert, und Pfützen können verschmelzen oder verschwinden, wenn die Verformung der Oberfläche berechnet wird. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Lastverteilung genau bleibt, während sich die Oberflächengeometrie während der Analyse ändert.
Effekt der Pfützenbildung
Beim Effekt der Pfützenbildung wird die Ansammlung von Flüssigkeit in den detektierten Einzugsgebieten simuliert. Für diesen Lasttyp ist lediglich das spezifische Gewicht der Flüssigkeit erforderlich, das im Dialogfeld in Bild 2 definiert werden kann. Anschließend füllt der Algorithmus das Einzugsgebiet bis zum Abflussknoten und sorgt dafür, dass die Oberflächenebene horizontal bleibt.
Sobald das Einzugsgebiet gefüllt ist, wird die entsprechende hydrostatische Last für jedes finite Element basierend auf dem Volumen der Flüssigkeit im Einzugsgebiet berechnet. Dies stellt sicher, dass die Lastverteilung die genaue Menge an Flüssigkeitsansammlung und deren Wirkung auf die Struktur widerspiegelt.
Niederschlag
Ein optionaler Parameter – "Niederschlag" – kann aktiviert werden, indem das Kontrollkästchen "Niederschlagsmenge" im oben erwähnten Dialogfeld aktiviert wird (siehe auch Bild 3). Ist dieser aktiviert, wird das Flüssigkeitsvolumen, das auf die beladene Oberfläche aufzubringen ist, basierend auf den vom Benutzer explizit beladenen Oberflächen genau definiert. Der Algorithmus erkennt dann iterativ den entsprechenden Wasserstand im Einzugsgebiet. Das Volumen der detektierten Pfütze, das durch eine horizontale Fläche begrenzt ist, entspricht der angegebenen Menge an Flüssigkeit, die als Eingabeparameter definiert ist. Nachdem das Volumen auf den beladenen Oberflächen berechnet wurde, verteilt sich das Wasser auf die angrenzenden Oberflächen. Dabei wird die Verteilung dynamisch an die Oberflächengeometrie angepasst.
Berechnung
Um mit diesem Lasttyp genaue Ergebnisse zu erzielen, wird eine große Verformungsanalyse dringend empfohlen. Diese ermöglicht es, die Lastverteilung in jeder Iteration basierend auf der tatsächlichen, verformten Geometrie der Struktur zu aktualisieren. Dadurch werden die Auswirkungen von Oberflächenänderungen während des gesamten Berechnungsprozesses genau erfasst.
Alternativ sind andere Berechnungsreihenfolgen verfügbar für Fälle, in denen nur geringe Verformungen der Struktur erwartet werden. Wenn jedoch nur die Berechnung 1. Ordnung verwendet wird, wird die Last auf die ursprüngliche, unverformte Geometrie der Struktur angewendet. Dies kann Ungenauigkeiten in die Berechnung einführen, da es die Verformungen, die während der Analyse auftreten, nicht berücksichtigt.
Fazit
Der Lasttyp Pfützenbildung in RFEM 6 bietet ein leistungsstarkes Tool zur Simulation der Auswirkungen von Wasseransammlung auf Flächen wie Dächern. Durch die Berücksichtigung von Oberflächenverformungen und die iterative Anpassung von Lastverteilungen stellt er eine genaue Modellierung der Ansammlung von Regenwasser und deren Auswirkungen auf die strukturelle Integrität sicher. Der Algorithmus zur Erkennung von Einzugsgebieten in Kombination mit der Option zur Definition von Niederschlag erhöht die Flexibilität und Genauigkeit der Simulationen. Daher ist diese Funktion für Bauingenieure, die Gebäude und Dächer entwerfen, die Wasseransammlungen aus Regenfällen ausgesetzt sind, von großem Nutzen, da sie dabei hilft, Sicherheit und Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu optimieren.