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002021

Alex Bacon, EIT

15. Januar 2026

Berücksichtigung der Windlastfälle 2 und 4 in RFEM 6 gemäß ASCE 7-22

1. Einführung:

Windbelastung ist ein wesentlicher Faktor bei der Bemessung von Bauwerken, insbesondere bei Main Force Wind Resisting Systems (MWFRS). Die Norm ASCE 7-22 [1] beschreibt mehrere Lastfälle, die unterschiedliche Windrichtungen und Torsionswirkungen auf Gebäude berücksichtigen.

Historisch gesehen ermöglichte der Windlast-Assistent von RFEM 6 die automatische Generierung von Windlasten gemäß ASCE 7 für die traditionellen Fälle 1 und 3, die die typischen Lastszenarien für Wind darstellen, der direkt auf die Hauptseiten einer Konstruktion einwirkt.

Mit dem neuesten Update unterstützt RFEM 6 nun die „Fälle 2 und 4”, die „Torsionslasteinwirkungen” infolge „ungleichmäßiger Winddrücke über die Ebene” berücksichtigen. Diese Verbesserung ermöglicht es Benutzern, realistischere Windlasteinwirkungen auf Basis von ASCE 7-22 zu generieren, insbesondere für unregelmäßige oder flexible Membrankonstruktionen.

2. Verständnis der Windlastfälle nach ASCE 7-22

Gemäß ASCE 7-22, Kapitel 27, sind Windlastfälle für MWFRS wie folgt definiert:

Fall 1: Luvseite- und Leeseite-Wände gleichzeitig belastet, keine Torsion (positiver Innendruck).
Fall 2: Wie Fall 1, jedoch einschließlich Torsionsbelastung durch exzentrisch auf das Gebäude einwirkenden Wind (positiver Innendruck).
Fall 3: Umgekehrte Richtung zu Fall 1 (negativer Innendruck).
Fall 4: Umgekehrte Richtung zu Fall 2 (negativer Innendruck mit Torsion).

Während die Fälle 1 und 3 symmetrische Druckverteilungen darstellen, wird in den Fällen 2 und 4 ein Torsionsmoment auf die Struktur ausgeübt, um die Winddruckveränderung über der Breite des Gebäudes zu simulieren.

3. Implementierung in RFEM 6

3.1 Automatische Erkennung von Ebenen

Der Windlast-Assistent von RFEM 6 erkennt nun automatisch definierte Ebenen im Statikmodell. Dies kann auf zwei Arten geschehen:

Über das Gebäudemodell-Add-On, das Ebenen automatisch auf jeder Etage definiert.
Durch manuelles Definieren einer starren Kopplungsebene mit dem Tool für starre Kopplungen im Modell.

Sobald eine Ebene erkannt wird, bewertet der Windlast-Assistent die Exzentrizität des Winddrucks über die Ebene, um das Torsionsmoment zu ermitteln, das gemäß ASCE 7 Fälle 2 und 4 anzuwenden ist.

3.2 Lastfallgenerierung

Beim Generieren von Windlasten gemäß ASCE 7-22 werden in RFEM 6 nun automatisch die folgenden Lastfälle angelegt:

Fall 1: Wind in Richtung A-B (z.B. 180°) – Standarddruckverteilung.
Fall 2: Wind in Richtung A-B mit Torsionsexzentrizität.
Fall 3: Wind in Richtung B-A – umgekehrte Druckverteilung.
Fall 4: Wind in Richtung B-A mit Torsionsexzentrizität.

In jedem Fall werden die entsprechenden Außendruckbeiwerte (C_p) und Innendruckbeiwerte (GC_pi) gemäß den Kapiteln 26 und 27 angesetzt, während das Torsionsmoment für die Fälle 2 und 4 direkt auf die erkannte Ebene angewendet wird.

Fall 2 - Torsionsmoment

Fall 4 - Torsionsmoment

Für das Verifikationsbeispiel im nächsten Abschnitt wurden einige Richtungen und Lastfälle deaktiviert, um das Beispiel und das Modell zu vereinfachen.

4. Verifikationsbeispiel

Um diese neue Funktionalität zu validieren, wurde ein einfaches rechteckiges Gebäude mit Satteldach (siehe unten) in RFEM 6 modelliert und mit manuellen Berechnungen gemäß ASCE 7-22, Kapitel 26 und 27, verglichen.

Modellparameter
Parameter	Symbol	Wert
Gebäudebreite	B	32 ft (~9,8 m)
Gebäudelänge	L	40 ft (~12 m)
Traufenhöhe	h_e	20 ft (~6,1 m)
Firsthöhe	h_r	30 ft (~9,1 m)
Mittlere Dachhöhe	h_m = (h_e + h_r)/2	25 ft (~7.6 m)
Dachneigung	θ	≈33°

4.1 Bestimmung der Bemessungswinddruckparameter

Gemäß ASCE 7-22 Abschnitt 26.10:

q_{z} = 0.00256 K_{z} K_{z t} K_{e} V^{2}

Bemessungswinddruckparameter: Luv

q_{z} = 0.00256 K_{h} K_{z t} K_{e} V^{2}

Bemessungswinddruckparameter: Lee, Seitenwand, Dach

Für dieses Beispiel ist q_z für die Luvseite-Wände gemäß

Risikokategorie III
V=107 mph (~172 km/h)
K_z = 0,57 (Exposition B, von 0 bis 15 Fuß)
K_z = 0,62 (Exposition B, bei 20 Fuß)
K_h = 0,66 (Exposition B, bei 25 Fuß)
K_zt = 1,0
k_d = 0,85
K_e = 1,0
G = 0,85

q_{z, (0 - 15)} = 0.00256 (0.57) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 16.71 p s f

q_{z, (20)} = 0.00256 (0.62) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 18.17 p s f

q_{h, (25)} = 0.00256 (0.66) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 19.34 p s f

Bemessungswinddruckparameter

4.2 Außendruckbeiwerte

Aus ASCE 7-22 Abb. 27.3-1 (Satteldach, 18° Neigung):

Fläche	Cp
Luvseite-Wand	+0,8
Leeseite-Wand	-0,5
Seitenwände	-0,7
Dach (Luvseite)	-0,12
Dach (Leeseite)	-0,6

4.3 Bemessungsdrücke

p_{w i n d w a r d} = q_{z} K G C_{p} - q_{h} K_{d} (G C_{p i})

Druck - Luvseite

p = q_{h} (K_{d} G C_{p} - K_{d} (G C_{p i}))

Druck - Rückseite

Annahme des Innendruckbeiwerts GC_pi = +/- 0,18

Fläche	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
Luvseite-Wand (0-15 ft)	+0,8	+-0,18	6,70	12,62
Luvseite-Wand (20 ft)	+0,8	+-0,18	7,54	13,423
Leeseite-Wand	-0,5	+-0,18	-9,92	-4,00
Seitenwand	-0,7	+-0,18	-12,82	-6,91
Dach Luvseite	-0,23	+-0,18	-6,25	-0,25
Dach Leeseite	-0,6	+-0,18	-11,34	-5,42

4.4 Bemessungstorsionsmomente

Torsionsmoment um die Z-Achse (+GC_pi)

Fall 2:

M_{z, 2} = 0.75 (p_{w, x} + p_{l, x}) (B_{x}) (e_{x})

= 0.75 (6.7 psf (15 ft) + 7.54 psf (5 ft) + 9.92 psf (20 ft)) (40 ft) (6 ft)

M_{z, 2} = 63.25 kip - ft

Torsionsmoment - Fall 2

Fall 4:

M_{z, 4} = 0.563 (p_{w, x} + p_{l, x}) (B_{x}) (e_{x}) + 0.563 (p_{w, y} + p_{l, y}) (B_{y}) (e_{y})

= 0.563 (6.7 psf (15 ft) + 7.54 psf (5 ft) + 9.92 psf (20 ft)) (40 ft) (6 ft) + 0.563 ((2) (12.82 psf) (20 ft)) (32 ft) (4.8 ft)

M_{z, 4} = 89.82 kip - ft

Torsionsmoment - Fall 4

5. Vergleich mit Windlast-Assistenten von RFEM 6

Verwenden Sie in RFEM 6 den Windlast-Assistenten mit ASCE 7-22 und denselben Parametern:

Das Programm berechnet automatisch q_z und q_h auf der Grundlage der mittleren Dachhöhe und der Höhe der Wände.
Die C_p-Werte wurden jeder Fläche auf der Grundlage der Ausrichtung und Neigung der Wände und des Daches zugewiesen.
Für Fälle 1 und 3 wurden symmetrische Drücke generiert.
Für Fälle 2 und 4 wurde die Ebenenexzentrizität erkannt und ein zusätzliches Torsionsmoment gemäß ASCE 7-22 27.3-8 angewandt.

Die resultierenden Drücke und die Lastverteilung aus RFEM 6 stimmten weitgehend mit den manuell berechneten Werten überein, was die Genauigkeit der Implementierung bestätigte. Geringfügige Abweichungen (≤ 5 %) lassen sich auf die präzisere geometrische Abtastung der Oberflächenerhebungen und Druckzonen durch das Programm zurückführen.

Ergebnisvergleich zwischen Handberechnungen und RFEM 6:

5.1 Bemessungsdrücke aus RFEM 6

Die folgenden Werte stammen aus RFEM 6, genauer gesagt aus Fall 1 und dem positiven/negativen Innendruck. Der Vergleich wird mit den analytischen Werten durchgeführt, die in Abschnitt 4 dieses Beitrags von Hand berechnet wurden. Die Modelldatei finden Sie am Ende der Seite zum individuellen Vergleich:

Risikokategorie III
V = 107 mph (~172 km/h)
K_z = 0,57 (Exposition B, von 0 bis 15 Fuß)
K_z = 0,62 (Exposition B, bei 20 Fuß)
K_h = 0,6565 (Exposition B, bei 25 Fuß)
K_zt = 1,0
k_d = 0,85
K_e = 1,0
G = 0,85

* q_{z, (0 - 15)} = 0.00256 (0.57) (1.0) (1.0) (107)^{2} = N / A

q_{z, (20)} = 0.00256 (0.62) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 18.130 p s f

q_{h, (25)} = 0.00256 (0.66) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 19.242 p s f

Konstruktionsparameter für Winddrücke

Hinweis: q_z wird im Windlastassistenten nicht angezeigt

p_{w i n d w a r d} = q_{z} K G C_{p} - q_{h} K_{d} (G C_{p i})

Druck - Luvseite

p = q_{h} (K_{d} G C_{p} - K_{d} (G C_{p i}))

Druck - Rückseite

Annahme des Innendruckbeiwerts GC_pi = +/- 0,18

Fläche	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
Luvseite-Wand (0-15 ft)	+0,8	+-0,18	6,761	12,649
Luvseite-Wand (20 ft)	+0,8	+-0,18	7,535	13,460
Leeseite-Wand	-0,5	+-0,18	-9,895	-4,007
Seitenwand	-0,7	+-0,18	-12,675	-6,787
Dach Luvseite	-0,23	+-0,18	-6,193	-0,305
Dach Leeseite	-0,6	+-0,18	-11,285	-5,397

5.3 Bemessungstorsionsmomente aus RFEM 6

Torsionsmoment um die Z-Achse (+GC_pi)

In RFEM 6 wird das Torsionsmoment intern berechnet und Parameter werden nicht angezeigt. Der Grund dafür ist, dass die dafür erforderliche Berechnung komplex ist und sich nur schwer im Dialog darstellen lässt.

Das folgende Bild zeigt ein kleines Beispiel für die Art und Weise, wie RFEM 6 die Berechnung durchführt:

Berechnung von Torsionsmomenten - RFEM 6

Torsionsmoment

M = 7,54 * A1 * 0,15 * b1 + 9,92 * A2 * 0,15 * b2
A1 ... Fläche der Last auf der Ebene auf der Luvseite
A2 ... Fläche der Last auf der Ebene auf der Leeseite
b1 ... Breite des Gebäudes auf der Luvseite
b2 ... Breite des Gebäudes auf der Leeseite

Hier sind die Momente für die Fälle 2 und 4, die RFEM 6 berechnet hat:

Fall 2:

M_z,2 = 60,66 kip-ft

Fall 4:

M_z,4 = 80,84 kip-ft

6. Fazit und Ergebnisvergleich

Die Ergänzung um die Fälle 2 und 4 in RFEM 6 stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der automatisierten Windlastgenerierung gemäß ASCE 7-22 dar. Durch die automatische Erkennung von Ebenen und die Anwendung von Torsionswirkungen können Ingenieure nun:

Das gesamte Spektrum der MWFRS-Lastfälle (1-4) ohne manuelle Eingabe erfassen
Die Einhaltung von ASCE 7-22 Kapiteln 26 und 27 sicherstellen.
Die Modellierungseffizienz und Bemessungszuverlässigkeit verbessern.

Dieses Verifikationsbeispiel hat gezeigt, dass der Windlastassistent von RFEM 6 Ergebnisse liefert, die mit den manuellen Berechnungen nach ASCE 7-22 übereinstimmen, sodass Anwender sowohl auf die Genauigkeit als auch auf die Automatisierung vertrauen können. Dies geht aus der folgenden Tabelle hervor, in der die manuell berechneten Werte mit den in RFEM 6 ermittelten Werten verglichen werden:

Hinweis: Werte wie K_h und C_p werden in einer Handberechnung gerundet, was einige Abweichungen verursacht. RFEM 6 verwendet genaue Werte.

Positiver Innendruck (+GC_pi)

Fläche	Analytischer Druck (psf)	RFEM 6-Druck (psf)	RFEM/Analytisch
Luvseite-Wand (0-15 ft)	6,70	6,761	1,01
Luvseite-Wand (20 ft)	7,54	7,54	1,00
Leeseite-Wand	-9,92	-9,895	1,00
Seitenwand	-12,82	-12,675	0,99
Dach (Luvseite)	-6,25	-6,193	0,99
Dach (Leeseite)	-11,34	-11,285	1,00

Negativer Innendruck (-GC_pi)

Fläche	Analytischer Druck (psf)	RFEM 6-Druck (psf)	RFEM/Analytisch
Luvseite-Wand (0-15 ft)	12,62	13,423	1,00
Luvseite-Wand (20 ft)	10,50	12,649	1,00
Leeseite-Wand	-4,00	-4,01	1,00
Seitenwand	-6,91	-6,787	0,98
Dach (Luvseite)	-0,33	-0,305	0,92
Dach (Leeseite)	-5,42	-5,397	1,00

Bemessungstorsionsmomente (+GC_pi)

Fall	Analytisches Moment (kip-ft)	RFEM 6 Moment (kip-ft))	RFEM/Analytisch
2	63.25	60.66	0.96
4	89.82	80.84	0.90

Knowledge Base

Berücksichtigung von Windlastfällen 2 und 4 in RFEM 6 gemäß ASCE 7-22

Darstellung eines statischen 3D-Modells mit unterschiedlichen Detaillierungsgraden zur Veranschaulichung von technischen Elementen und der Darstellung der Ergebnisse.

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Windlast-Assistent nach ASCE 7 - 22 - Fall 2 & 4

Autor

Alex ist für die Schulung der Kunden, den technischen Support und die Programmentwicklung für den nordamerikanischen Markt verantwortlich.

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