In diesem Artikel wird der Einfluss der Biegesteifigkeit von Seilen auf deren Schnittgrößen dargestellt und erläutert. Außerdem werden Hinweise gegeben, wie sich dieser Einfluss reduzieren lässt.
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..
Die Lastart Vorspannung war in den Dlubal-Programmen bislang immer eine Anfangsvorspannung. Es wurde die definierte Lastgröße aufgebracht und je nach Steifigkeit des umliegenden Systems blieb die Vorspannung mehr oder minder als Normalkraft im Seil übrig.
In einem System können zahlreiche Nichtlinearitäten vorhanden sein. Um diese in einer Dynamischen Analyse realitätsnah abzubilden wurde das Zusatzmodul RF-DYNAM Pro - Nichtlinearer Zeitverlauf entwickelt. Zur Anwendung des Zusatzmoduls wird im Folgenden die Vorgehensweise anhand eines Beispiels beschrieben.
Die Berechnung in RFEM erfolgt meist in mehreren Rechenschritten, den sogenannten Iterationen. Damit können zum einen besondere Modelleigenschaften berücksichtigt werden wie beispielsweise Objekte mit nichtlinearen Funktionen. Zum anderen werden durch eine iterative Berechnung nichtlineare Effekte erfasst, die sich durch Verformungs- und Schnittgrößenänderungen bei Theorie II. Ordnung oder unter Berücksichtigung großer Verformungen (Seiltheorie) ergeben. Bei komplexen Modellen sind geometrisch lineare Berechnungen in der Regel nicht ausreichend.
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.
Gittermasten stellen typische Anwendungsfälle im Stahlbau dar. Beispiele für diese spezielle Art von Fachwerkkonstruktionen sind Antennen- und Freileitungsmasten oder Stützen für Windkraftanlagen, Seilbahnen und Gerüstkonstruktionen. Die Modellierung kann in RFEM und RSTAB individuell durch die Eingabe der einzelnen Mastelemente erfolgen. Hierzu lassen sich verschiedene Kopierfunktionen und parametrisierte Eingabemöglichkeiten nutzen. Diese Vorgehensweise ist in der Regel mit Aufwand verbunden. Komfortabler gestaltet sich die Modellierung über vorkonfektionierte Katalogelemente des sogenannten Blockmanagers, die bei der Programminstallation automatisch hinterlegt werden. Damit lassen sich Mastschüsse, Bühnen, Antennenträger, Kabelschächte et cetera als parametrisierte Bausteine für die Generierung verschiedener Mastkonstruktionen nutzen.
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). Die FF-Berechnung wird in RFEM global in den "Basisangaben" eines Modells im Register "Optionen" aktiviert. Nach Aktivierung werden in RFEM ein Lastfall beziehungsweise ein Berechnungsprozess mit dem Namen RF-FORMFINDUNG angelegt und für die Seil- und Membraneingabe zusätzlich FF-Parameter zur Definition der Oberflächenspannung und Vorspannung freigeschaltet. Die Aktivierung der FF-Option bedeutet für das Programm, dass vor der reinen strukturellen Berechnung der Schnittgrößen, Verformung, Eigenwerte etc. immer zuerst der Formfindungsprozess gestartet und für die Folgeberechnung ein entsprechend vorgespanntes Modell vorgegeben wird.
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.
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.
In RFEM besteht die Möglichkeit, Seile mit Hilfe von Umlenkrollen zu erstellen und zu berechnen. Dazu dient der Stabtyp "Seil an Scheibe". Er eignet sich für Flaschenzugsysteme, an denen die Längskräfte über Umlenkrollen geleitet werden.