Einführung
Windlastsimulationen sind von grundlegender Bedeutung für die statische Analyse und den Bemessungsprozess von Gebäuden, Masten und einer breiten Palette von Bauwerken. Diese Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, die Wechselwirkung zwischen Wind und verschiedenen Arten von Strukturen zu bewerten und die daraus resultierenden strukturellen Anforderungen mit größerer Präzision zu beurteilen. Die Integration fortschrittlicher Berechnungstools, wie numerische Windkanalsoftware wie RWIND und Plattformen für Finite-Elemente-Analysen wie RFEM, hat die Zuverlässigkeit und den Umfang windbezogener Bewertungen erheblich verbessert.
Eine häufige Einschränkung sowohl bei experimentellen Windkanalversuchen als auch bei vielen CFD-Simulationen besteht darin, dass sie in der Regel nur die Flächendruckverteilung und nicht die daraus resultierenden Lagerreaktionen angeben. Die Auflagerkräfte und -momente auf der Fundamentebene sind jedoch für die Bemessung stabiler und sicherer Konstruktionen entscheidend. Dieser Beitrag schließt diese Lücke, indem er zeigt, wie Druckergebnisse aus RWIND in RFEM importiert werden können, um genaue Auflagerreaktionen zu berechnen.
Mithilfe dieses Arbeitsablaufs können Ingenieure realistische Windströmungsmuster, Turbulenzeffekte und Druckverteilungen über die Oberfläche eines Bauwerks selbst für unregelmäßige oder nicht standardisierte Konfigurationen simulieren und schließlich die Kräfte und Momente ableiten, die auf das Fundament oder Verankerungssystem übertragen werden.
Bedeutung von Auflagerkräften
Lagerkräfte (oder Lagerreaktionen) sind die Schnittgrößen, die ein Bauwerk aufgrund von einwirkenden Lasten auf seine Auflager überträgt. In der Windtechnik sind diese Reaktionen besonders wichtig für:
- Bemessung von Fundamenten (z.B. Pfähle, Ankerschrauben etc.)
- Bewertung von Auftrieb und Kippen
- Bewertung seitlicher Gleitkräfte
- Prüfung des Gleichgewichts der globalen Struktur
Windbedingte Auflagerkräfte können sich aufgrund ihres dynamischen Charakters, ihrer Richtungsabhängigkeit und ihrer Variabilität mit der Höhe erheblich von anderen statischen Lasten unterscheiden.
Workflow in RFEM und RWIND
Um genaue Auflagerkräfte in RFEM unter Windbelastung zu erhalten, umfasst ein typischer Arbeitsablauf Folgendes:
Schritt 1: Strukturmodellierung in RFEM
- Definition von Geometrie, Materialien und Querschnitten
- Zuweisen von Randbedingungen (Auflager, Gelenke, Einspannungen)
Schritt 2: Windlastsimulation in RWIND
- Exportieren des RFEM-Modells nach RWIND
- Definition von Windrichtungen, Geschwindigkeitsprofilen und Turbulenzmodellen
- Durchführen der CFD-Simulation zur Berechnung der Flächendruckverteilungen
Schritt 3: Import der Windlasten nach RFEM
- Importieren des CFD-Winddrucks als Flächenlasten
- Automatische Anwendung auf die Konstruktion als Knoten- oder Elementarlasten
Schritt 4: Statische Analyse in RFEM
- Lastkombinationen einschließlich Windeinwirkungen berechnen
- Analyse von Schnittgrößen, Verformungen und Lagerreaktionen
Arten von Lagerkräften
In RFEM werden in der Regel die folgenden Reaktionen ermittelt:
- Horizontale Kräfte (Fx, Fy): Seitlicher Winddruck (verfügbar in RWIND und RFEM - Bilder 1 und 2)
- Vertikale Kräfte (Fz): Auftrieb oder Abwärtsdruck (verfügbar in RWIND und RFEM - Bilder 1 und 2)
- Momente (Mx, My, Mz): Torsions- oder Kippwirkungen (verfügbar in RFEM - Bild 2)
Ingenieure können diese Reaktionen je Auflagerpunkt oder global für jeden Lastfall und jede Kombination überprüfen. Sie sind auch ein wichtiger Faktor für den geotechnischen Nachweis.
Praktische Überlegungen
- Windrichtung: Unterschiedliche Windrichtungen können zu unterschiedlichen Reaktionsmustern führen, daher sollten Simulationen alle relevanten Winkel abdecken (z.B. 0°, 45°, 90°, usw.).
- Netzauflösung in RWIND: Ein feines Flächennetz gewährleistet eine genaue Druckverteilung, die sich direkt auf die Auflagerkräfte auswirkt.
- Lastkombinationen: Windlasten müssen auf der Grundlage der geltenden Normen (z.B. Eurocode, ASCE 7) ordnungsgemäß mit Eigen-, Nutz- und anderen dynamischen Lasten kombiniert werden.
- Nichtlineare Effekte: Bei flexiblen Strukturen können Auswirkungen aus Theorie II. Ordnung und dynamische Verstärkung die Auflagerreaktionen beeinflussen.
Fazit
Die Analyse von Lagerkräften ist ein grundlegender Bestandteil der Windlastbemessung in RFEM. Durch die Kombination der präzisen Windsimulationsfähigkeiten von RWIND mit der leistungsstarken Engine zur statischen Berechnung von RFEM können Ingenieure sicherstellen, dass ihre Konstruktionen sicher und wirtschaftlich sind und den modernen Bemessungsstandards genügen. Die korrekte Extraktion und Interpretation dieser Auflagerkräfte ist der Schlüssel zu zuverlässigen Ergebnissen und erfolgreichen technischen Resultaten.
