Plastische Gelenke sind für die Pushover-Analyse (POA) als nichtlinear-statisches Verfahren zur Erdbebenberechnung von Tragwerken unabdingbar. In RFEM 6 können plastische Gelenke als Stabgelenke definiert werden. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie Sie plastische Gelenke mit bilinearen Eigenschaften versehen.
In RFEM 6 ist es möglich, mehrschichtige Flächentragwerke mithilfe des Add-ons "Mehrschichtige Flächen" zu definieren. Wenn Sie also das Add-on in den Basisangaben des Modells aktiviert haben, ist es möglich, Schichtaufbauten eines beliebigen Materialmodells zu definieren. Sie können auch Materialmodelle von z. B. isotropen und orthotropen Materialien kombinieren.
Mit dem orthotropen elastisch-plastischen Materialmodell können in RFEM 5 Volumen mit plastischen Materialeigenschaften berechnet und nach dem sogenannten Tsai-Wu-Kriterium ausgewertet werden. Das Tsai-Wu-Kriterium geht auf Stephen W. Tsai und Edward M. Wu zurück, die es 1971 für ebene Spannungszustände veröffentlichten.
Mit dem elastisch-plastischen Materialmodell haben Sie in RFEM 5 die Möglichkeit, Flächen und Volumen mit plastischen Materialeigenschaften zu berechnen und eine Spannungsauswertung durchzuführen. Dieses Materialmodell basiert auf der klassischen Von-Mises-Plastizität.
Eine orthotrope plastische Berechnung mit dem Plastizitätskriterium Tsai-Wu ist in RFEM bereits seit geraumer Zeit möglich. Über den Verfestigungsmodul Ep,x beziehungsweise Ep,y kann die Verfestigung des Materials während der iterativen Berechnung berücksichtigt werden.
Unter dem Materialmodel Isotrop nichtlinear elastisch gibt es die Möglichkeit, Fließgesetze gemäß der Fließregeln nach von Mises, Tresca, Drucker-Prager und Mohr-Coulomb auszwählen. Damit ist elasto-plastisches Materialverhalten beschreibbar. Die Fließfunktion ist dabei von den Hauptspannungen beziehungsweise den Invarianten des Spannungstensors abhängig. Die Kriterien sind für 2D- und 3D-Materialmodelle verwendbar.
Die elastischen Verformungen eines Bauteils infolge einer Last basieren auf dem hookeschen Gesetz, das eine lineare Spannungs-Dehnungs-Beziehung beschreibt. Sie sind reversibel: Nach der Entlastung kehrt das Bauteil wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Plastische Verformungen hingegen führen zu irreversiblen Formänderungen. Die plastischen Dehnungen sind in der Regel erheblich größer als die elastischen Verformungen. Bei plastischen Beanspruchungen duktiler Materialien wie Stahl treten Fließeffekte auf, bei denen der Verformungszuwachs mit einer Verfestigung einhergeht. Sie führen damit zu bleibenden Formänderungen - und im Extremfall zur Zerstörung des Bauteils.
Beim Nachweis eines Stahlquerschnitts nach Eurocode 3 ist die Zuordnung des Profils zu einer der vier Querschnittsklassen entscheidend. Die Klassen 1 und 2 ermöglichen eine plastische Bemessung, für die Klassen 3 und 4 sind nur elastische Nachweise zulässig. Neben der Beanspruchbarkeit des Querschnitts ist die ausreichende Stabilität des Bauteils nachzuweisen.
Im Folgenden soll ein Zweifeldträger, welcher auf Biegung beansprucht ist, mit Hilfe des Zusatzmoduls RF-/STAHL EC3 nach EN 1993-1-1 nachgewiesen werden. Auf Grund ausreichender Stabilisierungsmaßnahmen wird das globale Stabilitätsversagen ausgeschlossen.
Verfestigung beschreibt die Fähigkeit eines Materials, bei Belastung durch Umlagerungen (Strecken) der Mikrokristalle im Kristallgitter der Struktur eine höhere Steifigkeit zu erreichen. Es wird hierbei zwischen materieller isotroper Verfestigung als skalare Größen oder tensoriellen kinematischen Verfestigungen unterschieden.
In einem früheren Beitrag wird das Materialmodell Isotrop nichtlinear elastisch erläutert. Viele Materialien besitzen aber kein rein symmetrisches nichtlineares Materialverhalten. Auch die in dem Beitrag erwähnten Fließgesetze nach von Mises, Drucker-Prager und Mohr-Coulomb sind in dieser Hinsicht auf die Fließfläche im Hauptspannungsraum beschränkt.
Die Pushover-Analyse ist eine nichtlineare statische Berechnung für die seismische Analyse von Strukturen. Die anzusetzende Lastverteilung wird einer dynamischen Ersatzlastberechnung entnommen. Diese Lasten werden dann schrittweise bis zum Versagen der Struktur gesteigert. Das nichtlineare Verhalten der Gebäude wird üblicherweise mit Hilfe plastischer Gelenke abgebildet.
Das Querschnittsprogramm DUENQ ermittelt die wirksamen Querschnittswerte dünnwandiger Profile gemäß Eurocode 3 und Eurocode 9. Alternativ sind im Programm plastische Untersuchungen für allgemeine Querschnitte nach der Simplex-Methode möglich. Bei diesem Verfahren werden die plastischen Querschnittsreserven für elastisch ermittelte Schnittgrößen iterativ bestimmt.Folgendes Beispiel beschreibt die wirksamen Querschnittswerte im Bereich einer Ausklinkung eines I-förmigen Walzprofils. Anschließend werden die Ergebnisse mit einer plastischen Analyse verglichen.
Vor der eigentlichen Querschnittsanalyse von Stahlprofilen sind diese nach EN 1993-1-1 5.5 bezüglich ihrer Beanspruchbarkeit und Rotationskapazität zu klassifizieren. Dabei werden die einzelnen Querschnittsteile analysiert und in die Klassen 1 bis 4 eingeordnet. Die Klasse des Querschnitts bestimmt sich im Anschluss und im Allgemeinen aus der höchsten Klasse der Querschnittsteile. Können für die spätere Bemessung von Querschnitten der Klassen 1 und 2 noch plastische Beanspruchbarkeiten herangezogen werden, dürfen diese ab Klasse 3 nur noch elastisch bestimmt werden. Bei Klasse-4-Querschnitten tritt bereits vor dem Erreichen des elastischen Momentes ein lokales Beulen auf. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, dürfen effektive Breiten verwendet werden. Dieser Beitrag wird sich nun im Folgenden genauer mit der Berechnung der effektiven Querschnittswerte befassen.
Mit RF-/STAHL EC3 können die in EN 1993-1-1 Abs. 6.2 angegebenen plastischen Querschnittsnachweise geführt werden. Nachfolgend soll speziell auf die Interaktion bei Beanspruchung aus Biegung und Normalkraft für I-Querschnitte eingegangen werden, welche im Abschnitt 6.2.9.1 geregelt ist.
Im Folgenden soll ein Einfeldträger, welcher auf Biegung und Druck beansprucht ist, mit Hilfe des Zusatzmoduls RF-/STAHL EC3 nach EN 1993-1-1 nachgewiesen werden. Da der Träger als gevouteter Querschnitt ausgeführt ist und es sich damit nicht um ein gleichförmiges Bauteil handelt, ist der Nachweis entweder nach dem Allgemeinen Verfahren nach Abs. 6.3.4 EN 1993-1-1 zu führen oder mittels Theorie II. Ordnung. Beide Möglichkeiten sollen untersucht und verglichen werden, wobei für die Berechnung nach Theorie II. Ordnung ein zusätzliches Nachweisformat mittels Teilschnittgrößenverfahren zur Verfügung steht. Daraus gliedert sich die Bemessung in drei Schritte:Nachweis nach Abs. 6.3.4 EN 1993-1-1 (Allgemeines Verfahren)Nachweis nach Theorie II. Ordnung, elastisch (Wölbkrafttorsionsanalyse)Nachweis nach Theorie II. Ordnung, plastisch (Wölbkrafttorsionsanalyse und Teilschnittgrößenverfahren)
Im nachfolgenden Beispiel wird in RFEM ein Vergleich zwischen einem Schalenmodell und einem einfachen Stabmodell durchgeführt. Dabei handelt es sich bei dem Schalenmodell um einen in Flächen aufgelösten Träger, welcher aufgrund der Randbedingungen als beidseitig eingespannt modelliert ist. Damit handelt es sich um ein statisch unbestimmtes System, welches bei einer Überlast Fließgelenke ausbildet. Der Vergleich wird hier mit einem Stabmodell geführt, welches dieselben Randbedingungen erhält wie das Schalenmodell.
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.