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Sowohl die Ermittlung von Eigenschwingungen als auch das Antwortspektrenverfahren werden stets an einem linearen System durchgeführt. Sind Nichtlinearitäten im System vorhanden, werden diese linearisiert und somit nicht berücksichtigt. Dies können z.B. Zugstäbe, nichtlineare Auflager oder nichtlineare Gelenke sein. In diesem Beitrag soll gezeigt werden, wie diese in einer dynamischen Analyse behandelt werden können.
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.
Für einen korrekten Durchbiegungsnachweis ist es wichtig, im Programm die genauen Lagerungsbedingungen des entsprechenden Elements einzugeben. Anhand eines Stabsatzes aus Stahlbeton wird die Definition der Bemessungsauflager in RFEM 6 gezeigt.
Komplexe Strukturen beinhalten zahlreiche Strukturelemente mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dennoch können bestimmte Elemente dieselben Eigenschaften hinsichtlich Lagern, Nichtlinearitäten, Endmodifikationen, Gelenken etc. sowie der Bemessung (z. B. Knicklängen, Bemessungsauflager, Bewehrung, Nutzungsklassen, Querschnittsreduzierungen etc.) aufweisen. In RFEM 6 lassen sich diese Elemente anhand ihrer gemeinsamen Eigenschaften gruppieren und können so bei der Modellierung und Bemessung gemeinsam betrachtet werden.
Bei der Modellierung und Bemessung von Glasscheiben mit RF-GLAS gibt es hinsichtlich der FE-Netz-Einstellung zwei unterschiedliche Möglichkeiten.
Bei der Modellierung von statischen Tragsystemen, insbesondere von Hallentragwerken, kann es vorkommen, dass einige Konstruktionen im Gründungsbereich, welche für das aufgehende Tragwerk ohne Einfluss sind, in RFEM beziehungsweise RSTAB nicht modelliert werden. Dabei handelt es sich bei Hallentragwerken beispielsweise um Stahlbeton-Bodenplatten, Streifenfundamente oder Zugbänder zwischen den Stützenfundamenten.
Die Bemessung von vertikalen Isolierverglasungen erfordert vielmals eine unterschiedliche Zuweisung der Belastungen auf die einzelnen Schichten des gesamten Glasaufbaus. Dies tritt beispielsweise bei gleichzeitigen Einwirkungen aus Windbelastung und Absturzsicherung auf.
Um eine noch effizientere Arbeitsweise zu ermöglichen, ist es in RF-GLAS möglich, verschiedene benutzerdefinierte Schichtaufbauten anzulegen, abzuspeichern, und zu einem späteren Zeitpunkt beziehungsweise bei einem anderen Projekt wieder einzulesen.
Auflager, die nur bei Druck oder nur bei Zug zum Lastabtrag beitragen, sind in RFEM und RSTAB als nichtlineare Auflager definierbar. Dabei fällt es dem Anwender nicht immer leicht, die richtige Nichtlinearität für "Ausfall bei Zug" oder "Ausfall bei Druck" auszuwählen.
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.
Bei der Glasbemessung im Zusatzmodul RF-GLAS stehen grundsätzlich zwei verschiedene Berechnungsoptionen zur Verfügung: eine 2D- und eine 3D-Berechnung. Grundsätzlicher Unterschied dieser beiden Bemessungsvarianten ist die vom Programm automatisierte Modellierung der Scheiben im temporären Modell. Bei einer 2D-Bemessung werden für die einzelnen Scheiben gängige Flächenelemente (Plattentheorie) generiert, während bei der 3D-Bemessung die einzelnen Scheiben als Volumen abgebildet werden. Je nach gewähltem Schichtaufbau steht die Option zur Wahl oder wird vom Programm bereits automatisch vorgegeben.
Im Zusatzmodul RF-GLAS ist zur Erleichterung der Definition der Auflagerbedingungen das 3D-Rendering implementiert. Durch diese interaktive graphische Visualisierung wird dem Anwender eine erleichterte Eingabe und Kontrolle der Linien- und Knotenlagerung ermöglicht. Die schematische Darstellung kann bei Bedarf jedoch auch ausgewählt werden.
Bei gleichmäßiger verteilter Belastung kann nach EN 1992-1-1 (Eurocode 2) der Bemessungsschnitt für die Schubbewehrung im Abstand d von der Auflagervorderkante gelegt werden. Dabei reduziert sich die anzusetzende Querkraft für die Schubbewehrung auf VEd,red. Für den Nachweis der maximal aufnehmbaren Betondruckkraft VRd,max ist aber die vollständige Querkraft anzusetzen.
Bei der Verwendung des Zusatzmoduls RF-GLAS besteht die Möglichkeit, im Hauptprogramm lediglich die Geometrie sowie die Belastungssituation des zu bemessenden Bauteils zu definieren. Die zugehörigen Lagerbedingungen und alle weiteren bemessungsrelevanten Definitionen, wie zum Beispiel Scheibenaufbau und Lagerbedingungen, können weiter im Modul angegeben werden.
Der Querkraftwiderstand VRd,c ohne rechnerische Querkraftbewehrung nach 6.2.2, EN 1992-1-1 [1] oder 10.3.3, DIN 1045-1 [2] wird in Abhängigkeit des Längsbewehrungsgrades berechnet. Wird für der Berechnung von VRd,c die erforderliche Längsbewehrung aus der Biegebemessung angesezt, so führt dies zu einer Unterschätzung des Querkraftwiderstandes ohne Schubbewehrung in der Nähe von gelenkigen Endauflagern. Die erforderliche Biegebewehrung nimmt im Gegensatz zur Querkrafteinwirkung in Richtung Auflager ab. Zusätzlich weicht in der Regel im Endauflagerbereich die tatsächlich eingelegte Längsbewehrung erheblich von der erforderlichen Biegebewehrung ab (zum Beispiel bei ungestaffelter Balkenbewehrung).
Die architektonischen Anforderungen an Geländer sind nach wie vor sehr hoch und fordern meist ein großes Maß an Transparenz. Glasgeländer, bei denen keinerlei weitere Rahmenkonstruktion zu sehen ist, stellen dabei eine Möglichkeit zur Umsetzung dar.
Bei der Querkraftbemessung in RF-BETON Stäbe und BETON kann die einwirkende Querkraft Vz gemäß EN 1992-1-1 abgemindert werden. Im nachfolgenden Artikel wird auf die Abminderung der auflagernahen Einzellasten und die Querkraftbemessung im Abstand d vom Auflagerrand bei gleichförmiger Last eingegangen.
Die Bemessung kaltgewalzter Stahlerzeugnisse ist in EN 1993-1-3 geregelt. Typische Formen kaltgeformter Querschnitte sind U-, C-, Z-, Hut- oder Sigma-Profile. Sie werden aus dünnwandigem Blech durch Rollprofilier- oder Kantverfahren erzeugt. Beim Nachweis für die Grenzzustände der Tragfähigkeit ist auch sicherzustellen, dass örtliche Lasteinleitungen nicht zu einem Zusammendrücken, Stegkrüppeln oder örtlichem Beulen im Steg der Profile führen. Diese Effekte können sowohl durch örtliche Lasteinleitungen durch den Flansch in den Steg als auch durch Auflagerkräfte an den gelagerten Punkten hervorgerufen werden. Abschnitt 6.1.7 der EN 1993-1-3 regelt im Detail, wie die Beanspruchbarkeit des Steges Rw,Rd unter örtlicher Lasteinleitung zu ermitteln ist.
Im Bereich des Glasbaus gibt es verschiedene Gläser und Schichtaufbauten, die zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt werden. Im klassischen Fall sind diese: Floatglas, TVG (Teilvorgespanntes Glas) und ESG (Einscheibensicherheitsglas).
In diesem Fachbeitrag wird eine Pendelstütze mit einer mittig angreifenden Normalkraft und einer auf die starke Achse wirkenden Linienlast mit Hilfe des Zusatzmoduls RF-/STAHL EC3 nach EN 1993-1-1 nachgewiesen. Stützenkopf und Stützenfuß werden als Gabellager angenommen. Die Stütze ist zwischen den Auflagern nicht gegen Verdrehen gehalten. Der Querschnitt der Stütze ist ein HEB 360 aus S235.
Durch die speziellen Eigenschaften des Materials Glas ist es erforderlich, bei der Modellierung in einem FE-Modell auch ein besonderes Augenmerk auf Detailpunkte zu werfen. Das Glas besitzt eine sehr hohe Druckfestigkeit und wird daher tendenziell nur auf seine Zugspannungen bemessen. Ein besonderer Nachteil des Materials ist seine Sprödheit. In der Berechnung auftretende Spannungsspitzen dürfen daher nicht ohne Weiteres vernachlässigt werden.
Bei der Modellierung von Bohrpfählen bieten RFEM und RSTAB verschiedene Optionen. Auf der einen Seite lassen sich Bohrpfähle als einwertige Auflager beziehungsweise Pendelstützen darstellen. Auf der anderen Seite ist ebenso eine realistische Modellierung unter Berücksichtigung des Baugrundes mit Hilfe des Ansatzes einer Stabbettung möglich. Im Folgenden werden diesbezüglich zwei Beispiele veranschaulicht. Die Thematiken Pfahlspitzenwiderstand, Pfahlmantelreibung und Bodenschichten sind hingegen kein Bestandteil dieses Beitrages.
Mit RF-/FUND Pro können für sämtliche anfallenden Auflagerkräfte eines RFEM-/RSTAB-Modells Einzelfundamente (Fundamentplatten, Köcher- und Blockfundamente) bemessen werden. Die geotechnischen Nachweise werden hierbei nach EN 1997-1 durchgeführt.
Der Anteil an Glas nimmt bei der Planung eines Gebäudes immer mehr zu. Offene, lichtdurchflutete Gebäude sind ein Zeichen der Moderne. Dies stellt jedoch auch Fachingenieure bei ihrer Planung vor neue Herausforderungen. Raumhohe Glasfassaden, welche zugleich durch einen Handlauf belastet sind, stellen ein solches Beispiel dar. Der Einfluss dieser Belastung sowie die Berechnung der Verformung werden in diesem Beitrag gezeigt.
In der Praxis steht der Ingenieur häufig vor der Aufgabe, die Lagerbedingungen so realistisch wie möglich abzubilden, um Verformungen und Schnittgrößen der Struktur unter deren Einfluss analysieren zu können und um möglichst wirtschaftliche Konstruktionen zu ermöglichen. RFEM und RSTAB bieten zahlreiche Varianten der nichtlinearen Auflagerdefinitionen für Knotenlager. In diesem zweiten Teil sollen an einem einfachen Beispiel die Möglichkeiten der nichtlinearen Lagerausbildung für eine Einspannung gezeigt werden. Zum besseren Verständnis wird parallel immer das Ergebnis für ein linear definiertes Lager gezeigt.
RFEM und RSTAB bieten zahlreiche Varianten der nichtlinearen Definitionen von Knotenlagern. Nachfolgend sollen in Fortführung eines früheren Beitrags an einem einfachen Beispiel die weiteren Möglichkeiten der nichtlinearen Lagerausbildung für ein verschiebliches Auflager gezeigt werden. Zum besseren Verständnis wird parallel immer das Ergebnis für ein linear definiertes Lager gezeigt.
In der Praxis steht der Ingenieur häufig vor der Aufgabe, die Lagerbedingungen so realistisch wie möglich abzubilden, um Verformungen und Schnittgrößen der Struktur unter deren Einfluss analysieren zu können und um möglichst wirtschaftliche Konstruktionen zu ermöglichen. RFEM und RSTAB bieten zahlreiche Varianten der nichtlinearen Auflagerdefinitionen für Knotenlager. In diesem ersten Teil sollen an einem einfachen Beispiel die Möglichkeiten der nichtlinearen Lagerausbildung für ein verschiebliches Auflager gezeigt werden. Zum besseren Verständnis wird parallel immer das Ergebnis für ein linear definiertes Lager gezeigt.
Die Belastung von Isolierglasscheiben auf Grund klimatischer Einwirkungen sind in der DIN 18008 klar geregelt. Diese Art der Belastung kann bei entsprechender Scheibengeometrie auch maßgebend für die Bemessung im Zustand der Tragfähigkeit werden. Eine FE-Bemessung am Gesamtsystem mit Abbildung des SZR als Gasvolumen liefert exakte Ergebnisse zur Analyse. Im Gegenzug gewinnt jedoch auch eine stichpunktartige Plausibilitätskontrolle immer mehr an Bedeutung. Nachfolgend werden verschiedene Optionen aufgezeigt, wie diese Kontrollen durchgeführt werden können.
Für den Nachweis des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit nach Kapitel 6.6 des Eurocodes EN 1997-1 ist für eine Flachgründung (Fundament) eine Setzungsberechnung durchzuführen. In RF-/FUND Pro wurde die Setzungsberechnung für ein Einzelfundament ermöglicht. Dabei kann zwischen der Setzungsberechnung für ein schlaffes oder starres Fundament gewählt werden. Durch die Definition eines Bodenprofils ist die Berücksichtigung mehrerer Bodenschichten unter der Fundamentsohle möglich. Die Ergebnisse der Setzung, Fundamentverkantung und der vertikalen Sohlspannungsverteilung sind sowohl grafisch als auch tabellarisch aufbereitet und verschaffen so einen schnellen Überblick über die durchgeführte Berechnung. Zusätzlich zum Nachweis der Fundamentsetzung in RF-/FUND Pro werden die repräsentativen Federkonstanten für das Auflager in der statischen Berechnung bestimmt und können auf Wunsch in das statische Modell von RFEM oder RSTAB exportiert werden.
Sollen Knotenlager nur in bestimmte Richtungen wirken, kann ein Ausfall definiert werden. Als Beispiel soll hier ein Einfeldträger dienen, dessen rechtes Auflager nur positive vertikale Lasten aufnehmen kann. Die Belastung setzt sich aus einer vertikalen Soglast sowie einer horizontalen Last zusammen. Für den Ausfall stehen jedoch 2 Optionen zur Verfügung:
1) "Ausfall, falls PZ' negativ"
2) "Ausfall alle, falls PZ' negativ"
Der Unterschied soll in der Grafik verdeutlicht werden.