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Für den Entwurf der Membrankonstruktionen wird ein spezifisches Verfahren verlangt, in dem die Unterschiede zu den meisten konventionellen Tragwerken beachtet werden. Die Suche nach geeigneten vorgespannten Formen und die Erstellung von Schnittmustern sind zu einem unerläßlichen Teil der Planung von Membrantragwerken geworden. Der Beitrag wird nun im Folgenden die zwei Hauptprozesse der Planung von Membrankonstruktionen kurz behandeln. Er hat zum Ziel, die physikalischen Eigenschaften der Membrantragwerke näher zu erläutern und die einzelnen Thesen an Beispielen zu verdeutlichen.
Die Einhaltung von Bauvorschriften wie dem Eurocode ist unerlässlich, um die Sicherheit, Stabilität und Nachhaltigkeit von Gebäuden und anderen Strukturen zu gewährleisten. Die Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics), kurz CFD, spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem sie das Verhalten von Flüssigkeiten simuliert, Bemessungen optimiert sowie Architekten und Ingenieuren dabei hilft, die Anforderungen des Eurocodes in Bezug auf Windlastanalyse, natürliche Lüftung, Brandsicherheit und Energieeffizienz zu erfüllen. Durch die Integration von CFD in den Planungsprozess können Fachleute sichere, effiziente und vorschriftenkonforme Gebäude erstellen, die den höchsten Bau- und Design-Standards in Europa entsprechen.
In der Numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) können komplexe Flächen, die nicht vollständig massiv sind, mithilfe eines porösen und durchlässigen Mediums modelliert werden. In der Praxis sind das beispielsweise textile Bauten für Windschutzkonstruktionen, Drahtgewebe, perforierte Fassaden und Verkleidungen, Jalousien sowie Rohrbündel (übereinander angeordnete, horizontale Zylinder) usw.
Windschutzkonstruktionen sind spezielle textile Konstruktionen, die die Umwelt vor schädlichen chemischen Partikeln schützen sowie Winderosion eindämmen sollen, und dabei helfen wertvolle Ressourcen zu erhalten. RFEM und RWIND werden für die Wind-Tragwerk-Analyse zur einseitigen Fluid-Struktur-Kopplung (fluid-structure interaction (FSI)) eingesetzt. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie Windschutzkonstruktionen mit RFEM und RWIND statisch bemessen werden können.
RWIND 2 ist ein Programm zur Generierung von Windlasten auf Basis von CFD (Computational Fluid Dynamics). Die numerische Simulation von Windströmungen wird um Gebäude jeglicher Art generiert, auch solche die eine unregelmäßige oder einzigartige Geometrie aufweisen, um die Windlasten auf Flächen und Stäben zu bestimmen. RWIND 2 lässt sich bei der statischen Berechnung in RFEM/RSTAB integrieren oder als eigenständiges Programm verwenden.
In diesem Beitrag wird gezeigt, wie die Eingabedaten für Stab- und Flächenbemessungskonfigurationen innerhalb des Add-Ons Spannungs-Dehnungs-Berechnung verwaltet werden.
RWIND 2 ist ein Programm zur Generierung von Windlasten auf Basis von CFD (Computational Fluid Dynamics). Die numerische Simulation von Windströmungen wird um Gebäude jeglicher Art generiert, auch solche die eine unregelmäßige oder einzigartige Geometrie aufweisen, um die Windlasten auf Flächen und Stäben zu bestimmen. RWIND 2 lässt sich bei der statischen Berechnung in RFEM/RSTAB integrieren oder als eigenständiges Programm verwenden.
In RFEM 6 ist es möglich, selektierte Objekte, aber auch ganze Strukturen als Blöcke zu speichern und in anderen Modellen wieder zu verwenden. Es lassen sich drei Arten von Blöcken unterscheiden: Ohne Parameter, mit Parameter und dynamische Blöcke (mittels JavaScript). In diesem Beitrag wird der erste Blocktyp (ohne Parameter) vorgestellt.
Zur Ermittlung der Gleichgewichtsformen von zugbelasteten Flächenmodellen und normalkraftbeanspruchten Stäben steht in RFEM 6 das Add-On Formfindung zur Verfügung. Dieses Add-On lässt sich in den Basisangaben des Modells aktivieren und kann verwendet werden, um die geometrische Lage ausfindig zu machen, in der die Vorspannung von Leichtbautragwerken im Gleichgewicht mit den vorhandenen Randreaktionen steht..
RFEM und RSTAB können als Vertreter der allgemeinen Stab- beziehungsweise FEM-Programme eine Vielzahl von Teilgebieten des Bauwesens abdecken. So ist auch die Bemessung von Seiltragwerken in beiden Software-Lösungen möglich. Im Folgenden sollen einige Modellierungs- und Bemessungshilfen vorgestellt werden.
Modelltechnisch besteht ein ideales Gas aus frei schwirrenden ausdehnungslosen Masseteilchen in einem Volumenraum. In diesem Raum bewegt sich jedes Teilchen mit einer Geschwindigkeit in eine Richtung. Der Stoß eines Teilchens an ein anderes Teilchen oder die Volumenbegrenzungen führt zu einer Ablenkung und Veränderung der Geschwindigkeit der Beteiligten.
Seil- und Membrankonstruktionen gelten als sehr schlanke und ästhetische Baukonstruktionen. Die teils sehr komplexen doppelt gekrümmten Formen können über geeignete Formfindungsalgorithmen gefunden werden. Ein möglicher Lösungsansatz ist hier zum Beispiel die Formensuche über das Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung (vorgegebene Vorspannung und zusätzliche Last wie Eigengewicht, Druck etc.) und den gegebenen Randbedingungen.
Das Zusatzmodul RF-FORMFINDUNG ermittelt in RFEM Gleichgewichtsformen von Membran- und Seilelementen. In diesem Berechnungsprozess sucht das Programm für die Membran- und Seilelemente eine geometrische Lage, in der die Oberflächenspannung/Vorspannung der Membranen und Seile im Gleichgewicht mit den natürlichen und geometrischen Randreaktionen steht. Dieser Prozess heißt Formfindung (nachfolgend FF genannt).
Der Formfindungsprozess mit RF-FORMFINDUNG verschiebt die Eckknoten der FE-Elemente von einer Membranfläche im Raum bis die definierte Oberflächenspannung im Gleichgewicht mit den Randreaktionen steht. Diese Verschiebung erfolgt unabhängig von der Elementgeometrie. Da diese freie Verschiebung bei Elementen mit vier Eckpunkten eine räumliche Drillung der Elementebene hervorrufen kann und dann die Gültigkeitsgrenzen der Berechnung nicht mehr eingehalten sind, sind für Formfindungssysteme generell Dreieckselemente zu empfehlen. Dreieckselemente bleiben unabhängig von der Verschiebung der Eckknoten eben und in den Anwendungsgrenzen der Berechnung.
Die Formfindung berücksichtigt bei der Suche eines Gleichgewichtszustandes auch die Nachgiebigkeit der Unterkonstruktion. Große Durchbiegungen von stützenden Fachwerkträgern oder die reine Biegeverformung von Randträgern können bei der Ermittlung der Membranform berücksichtig werden.
Der Formfindungsprozess in RFEM sucht einen Gleichgewichtszustand, bei dem die definierten Vorspannungen der Membranen und die Vorspannungen beziehungsweise Längenänderungen der Seilelemente mit den Randreaktionen im Gleichgewicht stehen. Hierbei gibt das Programm die Möglichkeit, einen isotropen oder einen orthotropen Vorspannungszustand für die Membranen zu definieren.
In RFEM gibt es eine dateibasierte und eine direkte DXF-Schnittstelle. Die dateibasierte DXF-Schnittstelle exportiert die Daten in eine DXF-Datei, die direkte hingegen in eine offene AutoCAD-Datei. Im Schnittstellendialog kann man anwählen, welche Daten man exportieren möchte (Ergebnisse als Isolinien, Ergebniswerte, FE-Netz mit Rand- und Integrationslinien).
Das Zusatzmodul RF-FORMFINDUNG wird in den Modell-Basisangaben im Register "Optionen" aktiviert. Diese Aktivierung bewirkt, dass im Hauptprogramm die Membran- und Seilelemente ein zusätzliches Menü zur Beschreibung des Vorspannungszustandes erhalten und ein Lastfall RF-FORMFINDUNG angelegt wird.