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Ein entscheidender Schritt bei der Numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) ist es, ein Validierungsbeispiel zu erstellen, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse zu gewährleisten. Bei diesem Vorgang werden die Ergebnisse der CFD-Simulationen mit experimentellen oder analytischen Daten aus realen Szenarien verglichen. Es soll der Nachweis erbracht werden, dass das CFD-Modell die physikalischen Phänomene, die es simulieren soll, wirklichkeitsgetreu abbilden kann. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Schritte bei der Entwicklung eines Validierungsbeispiels für die CFD-Simulation erläutert, von der Auswahl eines geeigneten physikalischen Szenarios bis zur Analyse und dem Vergleich der Ergebnisse. Bei sorgfältiger Einhaltung dieser Schritte können sowohl Ingenieure als auch Experten in Forschung und Entwicklung die Glaubwürdigkeit ihrer CFD-Modelle erhöhen und so den Weg für deren effektiven Einsatz in verschiedenen Bereichen wie der Aerodynamik, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Umwelttechnik ebnen.
Die Windrichtung spielt bei der Gestaltung der Ergebnisse von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics - Numerische Strömungsmechanik) und der statischen Bemessung von Gebäuden und Infrastrukturen eine entscheidende Rolle. Sie ist ein entscheidender Faktor bei der Beurteilung, wie Windkräfte mit Bauwerken interagieren, und beeinflusst die Verteilung des Winddrucks und folglich die Maßnahmen hinsichtlich der Statik. Das Verständnis zur Auswirkung der Windrichtung ist unerlässlich, um Konstruktionen zu entwickeln, die wechselnden Windkräften standhalten sollen und somit die Sicherheit und Dauerhaftigkeit von Tragwerken gewährleisten. Einfach ausgedrückt hilft die Anströmrichtung bei der Feinabstimmung von CFD-Simulationen und der Anleitung von statischen Bemessungsprinzipien, eine optimale Leistung und Widerstandsfähigkeit gegenüber windinduzierten Effekten zu erzielen.
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.
Der automatische Auslegungsprozess der Flächenbewehrung ermittelt eine Flächenbewehrung, mit der die erforderliche Bewehrungsmenge abgedeckt wird.
- 001819
- Bemessung
- Aluminiumbemessung für RFEM 6
-
- Aluminiumbemessung für RSTAB 9
- Betonbemessung für RFEM 6
- Betonbemessung für RSTAB 9
- Stahlbemessung für RFEM 6
- Stahlbemessung für RSTAB 9
- Holzbemessung für RFEM 6
- Holzbemessung für RSTAB 9
- Stahlbetonbau
- Stahlbau
- Holzbau
- Statik und Tragwerksplanung
- Eurocode 0
- Eurocode 2
- Eurocode 3
- Eurocode 5
- Eurocode 9
- ADM
- ANSI/AISC 360
Für die Gebrauchstauglichkeit eines Tragwerks dürfen die Verformungen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. In einem Beispiel wird gezeigt, wie die Durchbiegung von Stäben mit den Bemessungs-Add-Ons nachgewiesen werden kann.
Wenn am Oberflansch eine Betondecke vorliegt, wirkt sie als seitliche Abstützung (Verbundbau) und verhindert ein Biegedrillknick-Stabilitätsproblem. Bei einem negativen Verlauf des Biegemoments steht der Unterflansch unter Druck und der Oberflansch unter Zug. Wenn die seitliche Stützung durch die Steifigkeit des Steges nicht ausreicht, in diesem Fall ist der Winkel zwischen dem unteren Flansch und der Stegschnittlinie variabel, sodass die Möglichkeit einer Forminstabilität des Unterflansches besteht.
Das Verfahren zu Stabilitätseffekten in elastischen Untersuchungen gemäß CSA S16:19 in Anhang O.2 ist eine Alternative zum Vereinfachten Stabilitätsanalyseverfahren in Abschnitt 8.4.3. In diesem Beitrag werden die Anforderungen des Anhangs O.2 und die Anwendung in RFEM 6 beschrieben.
Die Größe des Rechengebiets (Windkanalgröße) ist ein wichtiger Aspekt in der Windsimulation, der einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit sowie die Kosten von CFD-Simulationen hat.
Ein Standardszenario im Holzstabbau ist die Möglichkeit, kleinere Stäbe mittels Auflager auf einem größeren Trägerstab zu verbinden. Darüber hinaus können die Stabendbedingungen eine ähnliche Situation umfassen, in der der Träger auf einem Lagertyp lagert. In beiden Fällen muss der Träger unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit rechtwinklig zur Faserrichtung gemäß NDS 2018 Abschnitt 3.10.2 und CSA O86:19 Abschnitte 6.5.6 und 7.5.9 festgelegt sind. In allgemeinen Statikprogrammen ist es in der Regel nicht möglich, diesen vollständigen Nachweis durchzuführen, da die Lagerfläche unbekannt ist. In der neuen Generation von RFEM 6 und dem Add-On Holzbemessung ist es nun mit der Funktion 'Bemessungsauflager' möglich, die Nachweise nach NDS und CSA für Lager senkrecht zur Faserrichtung zu führen.
Das optimale Szenario, in dem die Durchstanzbemessung nach ACI 318-19 [1] bzw. CSA A23.3:19 [2] verwendet werden sollte, ist, wenn eine Platte eine hohe Konzentration von Lasten erfährt oder Reaktionskräfte, die bei 1 auftreten einzelnen Knoten. In RFEM 6 wird der Knoten, bei dem das Durchstanzen von Belang ist, als Durchstanzknoten bezeichnet. Diese hohe Konzentration von Kräften kann durch eine Stütze, Einzellast oder einen Knotenlager verursacht werden. Auch die Verbindungswände können diese Einzellasten an Wandenden, Ecken und Enden von Linienlasten und Stützen zur Folge haben.
Die Einwirkungen aus der Schneelast sind in der amerikanischen Norm ASCE/SEI 7-16 sowie im Eurocode 1, Teil 1 bis 3 beschrieben. Diese Normen sind im neuen Programm RFEM 6 und im Schneelastassistenten implementiert, der das Aufbringen der Schneelasten erleichtert. In der neuesten Generation des Programms kann zudem der Bauort auf einer digitalen Landkarte festgelegt und somit die Schneelastzone automatisch eingelesen werden. Diese Daten wiederum verwendet der Lastassistent, um die Auswirkungen der Schneelast zu simulieren.
Gemäß Abs. 6.6.3.1.1 und Abs. 10.14.1.2 des ACI 318-19 bzw. CSA A23.3:19 berücksichtigt RFEM die Abminderung von Betonstab- und -flächensteifigkeiten für verschiedene Bauteilarten. Zur Auswahl stehen gerissene und ungerissene Wände, Flachplatten, Flachdecken, Balken und Stützen. Die programmintern zur Verfügung stehenden Multiplikatoren stammen aus den Tabellen 6.6.3.1.1(a) und 10.14.1.2.
Bei den Stabilitätsnachweisen für den Ersatzstabnachweis nach EN 1993-1-1, AISC 360, CSA S16 und anderen internationalen Normen ist die Bemessungslänge (also die Knicklänge der Stäbe) zu berücksichtigen. In RFEM 6 kann die Knicklänge manuell durch Zuordnung von Knotenlagern und Knicklängenbeiwerten ermittelt oder aus dem Stabilitätsnachweis übernommen werden. Beide Möglichkeiten werden in diesem Beitrag anhand der Ermittlung der Knicklänge der Rahmenstütze in Bild 1 gezeigt.
Das neue Programm RFEM 6 bietet die Möglichkeit, Stabilitätsnachweise für gevoutete Holzträger nach dem Ersatzstabverfahren zu führen. Nach diesem Verfahren kann der Nachweis geführt werden, wenn die Vorgaben der DIN 1052 Abs. E8.4.2 für veränderliche Querschnitte eingehalten werden. In der Fachliteratur wird dieses Verfahren auch für den Eurocode 5 übernommen. In diesem Beitrag wird die Anwendung des Ersatzstabverfahrens bei einem gevouteten Dachträger (siehe Bild 1) gezeigt.
Neben der Dachgeometrie und der Dachform kann bei Flachdächern auch die Ausbildung des Traufbereiches bei der Lastgenerierung berücksichtigt werden.
In den Zusatzmodulen RF-/HOLZ Pro, RF-/HOLZ AWC und RF-/HOLZ CSA ist es möglich, die resultierende Verformung eines Stabes oder Stabsatzes zu berücksichtigen. Neben den lokalen Richtungen y und z steht die Option "R" zur Verfügung. Damit kann die Gesamtdurchbiegung eines Trägers den in den Normen angegebenen Grenzwerten gegenübergestellt werden.
Um eine übersichtlichere Darstellung der Ergebniswerte zu erzielen, können verschiedene Einstellungen vorgenommen werden. Einige Anwender stört beispielsweise der weiße Hintergrund in den Textblasen. Dieser Hintergrund kann in den "Anzeigeeigenschaften" über die Transparenz und über die Hintergrundfarbe gesteuert werden.
Neben dem genormten Gamma-Verfahren lassen sich nachgiebig verbundene Träger auch als Stabwerksmodell abbilden.
Mit Hilfe der automatischen Kombinatorik von RFEM und RSTAB und Verwendung der Option "EN 1990 + EN 1991-3; Krane" können sowohl Kranbahnträger als auch die Auflagerlasten auf die weiterführende Konstruktion bemessen werden.
Tragwerksstabilität ist kein neues Phänomen, wenn es um Stahlbemessung geht. Die kanadische Stahlbaunorm CSA S16 und ihre neueste Version 2019 stellen da keine Ausnahme dar. Ausführliche Stabilitätsanforderungen können entweder mit dem vereinfachten Stabilitätsanalyseverfahren in Abschnitt 8.4.3 behandelt werden, oder neu gemäß Version 2019 mit den Stabilitätseffekten im elastischen Analyseverfahren im Anhang O.
- 000945
- Zusatzmodule
- RF-RAHMECK Pro 5
-
- Stützenfuß 8
- JOINTS Stahl | DSTV8
- Gelenkig 8
- JOINTS Stahl | Biegesteif 8
- JOINTS Stahl | SIKL8
- Mast 8
- Stahl zu Holz 8
- JOINTS Holz | Holz zu Holz 8
- RF-JOINTS Stahl | SIKLA 5
- RF-JOINTS Stahl | Stützenfuß 5
- RF-JOINTS Stahl | DSTV 5
- RF-JOINTS Stahl | Gelenkig 5
- RF-JOINTS Stahl | Biegesteif 5
- RF-JOINTS Stahl | Mast 5
- RF-JOINTS Holz | Stahl zu Holz 5
- RF-JOINTS Holz | Holz zu Holz 5
- RAHMECK Pro 8
- Stahlbau
- Holzbau
- Stahlverbindungen
- Eurocode 3
- Eurocode 5
Neben den Ergebnistabellen wird in RF-/JOINTS und RF-/RAHMECK Pro eine dreidimensionale Grafik erstellt. Hierbei handelt es sich um eine wirklichkeitsgetreue und maßstäbliche Darstellung der Verbindung.
Der Anschlusstyp I "Nur Hauptstab" in RF-/JOINTS Holz - Stahl zu Holz eignet sich auch für mehr als einen angeschlossenen Stab.
Wird eine Holzverbindung wie in Bild 01 dargestellt ausgeführt, kann die aus der Verbindung resultierende Drehfedersteifigkeit berücksichtigt werden. Diese kann mit Hilfe des Verschiebungsmoduls des Verbindungsmittels und des polaren Trägheitsmomentes des Anschlusses unter Vernachlässigung der Fläche der Verbindungsmittel bestimmt werden.
Mit dem Modul LIMITS ist es möglich die Tragfähigkeit von Stäben, Stabenden, Knoten, Knotenlagern und Flächen (nur RFEM) anhand einer definierten Grenztragfähigkeit zu vergleichen. Des Weiteren können Knotenverschiebungen sowie Querschnittsabmessungen kontrolliert werden. In diesem Beispiel sollen Stützenfüße eines Carports mit den vom Hersteller angegebenen, maximal zulässigen, Kräften verglichen werden.
Mit dem Zusatzmodul RF-/HOLZ Pro ist es möglich, für die Bemessung nach EN 1995-1-1 den aus der DIN 1052 bekannten Schwingungsnachweis zu führen. Dieser besagt, dass unter ständiger und quasi-ständiger Einwirkung die Durchbiegung am ideellen Einfeldträger einen Grenzwert (nach DIN 1052 6 mm) nicht überschreiten darf. Wenn man den Zusammenhang zwischen Eigenfrequenz und Durchbiegung für einen mit konstanter Streckenlast belasteten, gelenkigen Einfeldträger berücksichtigt, so resultiert aus den 6 mm eine Mindesteigenfrequenz von zirka 7,2 Hz.
Für die Bemessung von Betonflächen kann der Rippenanteil der Schnittgrößen für die Berechnung im Grenzzustand der Tragfähigkeit und die analytische Berechnung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit vernachlässigt werden, da dieser bereits bei der Stabbemessung berücksichtigt wird. Dazu wird im Modul RF-BETON Flächen in den "Detaileinstellungen" die entsprechende Checkbox aktiviert. Wurden keine Rippen definiert, ist diese Funktion nicht zugänglich.
Der Ansatz für Schneeverwehungen wird in RFEM und RSTAB nach 5.3.4(3) der DIN EN 1991-1-3 für Scheddächer geführt.
Im Holzbau werden oft Träger aus mehreren Holzteilen zusammengesetzt. Die Verbindung der einzelnen Teile erfolgt durch Leim, Nägel, Schrauben, Dübel oder Passbolzen. Bei einer Verbindung aus Leim ist diese als starr anzunehmen. Bei Verbindungen mit zum Beispiel stiftförmigen Verbindungsmitteln ist die Verbindung nachgiebig und die Querschnittskennwerte der verbundenen Teile können nicht voll angesetzt werden.
Bei relativ großen beziehungsweise relativ kleinen Flächen, kommt es vor, dass automatisch erstellte Ergebniswerte von der Relation nicht zu der Struktur passen. Die Ergebnisse werden bei großen Flächen entweder zu häufig erzeugt oder bei kleinen Flächen zu wenig.
Oft werden Strukturen in mehreren Projekten benötigt, so wie in diesem Beispiel eine Pfette mit Stützen und Kopfbändern. Man könnte die Abmessungen direkt in RFEM beziehungsweise RSTAB abändern, indem man die Knoten verschiebt.