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 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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Bei plattenartigen Bauteilen muss an Stellen mit konzentrierter Lasteinleitung der Querkraftnachweis mit den Regeln des Durchstanznachweises nach 6.4, EN 1992-1-1 [1] ersetzt werden. Eine konzentrierte Lasteinleitung liegt an Einzelstellen zum Beispiel durch eine Stütze, konzentrierte Einzellast oder Punktauflager vor. Zusätzlich ist das Ende einer linienförmigen Lasteinleitung in Flächen auch als konzentrierte Lasteinleitung zu werten. Darunter fallen beispielsweise Wandenden, Wandecken, Enden beziehungsweise Ecken von Linienlasten und Linienlagern. Der Durchstanznachweis ist für Platten und Bodenplatten beziehungsweise Fundamenten unter der Berücksichtigung der um den betrachteten Durchstanzpunkt vorhandenen Plattentopologie zu führen. Im Zuge des Durchstanznachweises nach EN 1992-1-1 ist zu prüfen, dass die einwirkende Querkraft vEd den Widerstand vRd nicht übersteigt.
Im RSTAB-Zusatzmodul DYNAM PRO ist nun möglich, Massen zu vernachlässigen, welche sich negativ auf den Ersatzmassenfaktor bei einer Eigenwertberechnung auswirken können. Dazu können unter [Details] die Massen deaktiviert werden. Hierzu zählen in erster Linie Massepunkte, die sich im Auflager der Strukturen befinden.
Um die Steifigkeit der Deckenkonstruktion im Sanierungsfall zu erhöhen, werden unter anderem sichtbare Unterzüge verwendet, die nicht mit der Deckenkonstruktion verbunden sind. Um nur Druckkräfte zu übertragen, können nichtlineare Linienfreigaben verwendet werden. Würden, wie im Bild dargestellt, Zugkräfte zwischen Decke und Unterzug auftreten, brächte der Unterzug keine Steifigkeit in das Gesamtsystem.
In RFEM kann man die Ergebnisse einzelner Laststufen während der Berechnung speichern und sich grafisch anzeigen lassen. Dies bietet die Möglichkeit, beispielsweise bei nichtlinearen Auflagern den Reaktionsverlauf der unterschiedlichen Lastniveaus grafisch darzustellen und zu kontrollieren.
In RFEM kann man die Ergebnisse einzelner Laststufen während der Berechnung speichern und sich grafisch anzeigen lassen. Dies bietet die Möglichkeit, beispielsweise bei nichtlinearen Auflagern den Reaktionsverlauf der unterschiedlichen Lastniveaus grafisch darzustellen und zu kontrollieren.
In RFEM und RSTAB gibt es die Möglichkeit, nichtlineare Auflager zu definieren. In RFEM sind dies Knotenlager, Linienlager und Flächenlager. Immer wieder erreichen uns Kundenanfragen, bei denen die Nichtlinearität scheinbar nicht wie gewünscht wirkt. Die Anwender definieren ausfallende Linienlager. Damit die Struktur statisch bestimmt gelagert ist, wird dann meist noch ein lineares Knotenlager eingefügt. Liegt dieses Knotenlager am Anfang oder Ende einer nichtlinear gelagerten Linie, so ist hier keine eindeutige Definition der Freiheitsgrade gegeben und die Nichtlinearität kann nicht richtig berücksichtigt werden. RFEM gibt in diesem Fall einen Warnhinweis aus.
Der NCI zur DIN EN 1993-6, Kap. 2.3.1 ermöglicht die Abminderungen der dynamischen Faktoren (Schwingbeiwerte) für die Werte ≧ 1,1. Somit dürfen für die Bemessung der Unterstützungs- beziehungsweise Aufhängekonstruktionen diese abgeminderten Auflagerlasten verwendet werden. Sofern in KRANBAHN der Nationale Anhang "DIN" gewählt wird und die dynamischen Faktoren ≧ 1,1 sind, wird diese Abminderung automatisch berücksichtigt.
Es wird bei der Definition von realen Auflagerbedingungen immer wieder erforderlich, eine Mischung aus linearen und nichtlinearen Lagerbedingungen zu verwenden. So kann ein Träger, der auf einer Wand aufliegt, hier Druck in die Wand einleiten, abhebende Kräfte sollen vom Linienlager (Wand) nicht übernommen werden. Diese Kräfte sollen zum Beispiel über Schrauben, welche als lineare Knotenlager definiert werden, abgetragen werden.