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Die Berechnung des Gebäudemodells läuft in zwei Berechnungsphasen ab:
Globale 3D-Berechnung des Gesamtmodells, in welchem die Decken als starre Ebene (Diaphragma) oder als Biegeplatte modelliert werden
Lokale 2D-Berechnung der einzelnen Geschossdecken
Die Ergebnisse der Stützen und Wände aus der 3D-Berechnung und die Ergebnisse der Decken aus der 2D-Berechnung werden nach der Berechnung in einem einzigen Modell zusammengefasst. Dadurch muss zwischen dem 3D-Modell und der einzelnen 2D-Modellen der Decken nicht gewechselt werden. Der Anwender arbeitet nur mit einem Model, spart wertvolle Zeit und vermeidet eventuelle Fehler beim händischen Datenaustausch zwischen dem 3D-Modell und der einzelnen 2D-Decken-Modelle.
Die vertikalen Flächen im Modell können vom Nutzer in Schubwände (Shear Walls) und Öffnungsstürze (Sprandels) geteilt werden. Aus diesen Wandobjekten erzeugt das Programm automatisch interne Ergebnisstäbe, so dass diese dann nach der gewünschten Norm im Add-On Betonbemessung für RFEM 6 als Stäbe bemessen werden können.
Haben Sie das Add-On Gebäudemodell aktiviert? Sehr gut! Dann können Sie sich den Steifigkeitsmittelpunkt tabellarisch und grafisch ausgeben lassen. Verwenden Sie ihn beispielsweise für Ihre dynamische Analysen.
Wussten Sie schon? Bei der Entlastung eines Bauteils mit einem plastischen Materialmodell bleibt, im Unterschied zum Materialmodell Isotrop | Nichtlinear elastisch, nach der vollständigen Entlastung eine Dehnung zurück.
Sie können jeweils drei verschiedene Definitionsarten wählen:
Standard (Definition einer Vergleichsspannung, bei der das Material plastifiziert)
Bilinear (Definition einer Vergleichsspannung und eines Verfestigungsmoduls)
Spannungs-Dehnungs-Diagramm:Definition von polygonförmigen Spannung-Dehnungs-Verläufen
Entlasten Sie ein Bauteil mit einem nichtlinear elastischen Material wieder, geht die Dehnung auf dem gleichen Pfad zurück. Bei der vollständigen Entlastung bleibt, im Unterschied zum Materialmodell Isotrop | Plastisch, keine Dehnung zurück.
Sie können jeweils drei verschiedene Definitionsarten wählen:
Standard (Definition einer Vergleichsspannung, bei der das Material plastifiziert)
Bilinear (Definition einer Vergleichsspannung und eines Verfestigungsmoduls)
Spannungs-Dehnungs-Diagramm:
Definition von polygonförmigen Spannung-Dehnungs-Verläufen
Wussten Sie schon? Im Unterschied zu anderen Materialmodellen ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm für dieses Materialmodell nicht antimetrisch zum Ursprung. Sie können mit diesem Materialmodell beispielsweise das Verhalten von Stahlfaserbeton abbilden. Ausführliche Hinweise zum Modellieren von Stahlfaserbeton finden Sie im Fachbeitrag:
KB 001601 | Ermittlung der Materialeigenschaften von Stahlfaserbeton und deren Verwendung in RFEM
Bei diesem Materialmodell wird die isotrope Steifigkeit mit einem skalaren Schädigungsparameter abgemindert. Dieser Schädigungsparameter bestimmt sich aus dem Verlauf der Spannung, die im Diagramm festgelegt ist. Dabei wird nicht die Richtung der Hauptspannungen berücksichtigt, sondern die Schädigung erfolgt vielmehr in Richtung der Vergleichsdehnung, die auch die dritte Richtung senkrecht zur Ebene erfasst. Der Zug- und Druckbereich des Spannungstensors wird separat behandelt. Dabei gelten jeweils unterschiedliche Schädigungsparameter.
Die 'Referenzelementgröße' steuert, wie die Dehnung im Rissbereich auf die Länge des Elements skaliert wird. Mit dem voreingestellten Wert null erfolgt keine Skalierung. Damit wird das Materialverhalten des Stahlfaserbetons realitätsnah abgebildet.
Kennen Sie bereits das Materialmodell nach Tsai-Wu? Es vereint plastische und orthotrope Eigenschaften, wodurch spezielle Modellierungen von Werkstoffen mit anisotroper Charakteristik, wie faserverstärkter Kunststoff oder Holz, möglich sind.
Beim Plastizieren des Materials bleiben die Spannungen konstant. Es erfolgt eine Umlagerung in Abhängigkeit von den Steifigkeiten, die in die einzelnen Richtungen vorliegen. Der elastische Bereich entspricht dem Materialmodell Orthotrop | Linear elastisch (Volumenkörper). Für den plastischen Bereich gilt die Fließbedingung nach Tsai-Wu.
Sämtliche Festigkeiten werden positiv definiert. Die Fließbedingung können Sie sich in etwa als ellipsenförmige Fläche im sechsdimensionalen Spannungsraum vorstellen. Wird eine der drei Spannungskomponenten als konstanter Wert angesetzt, ist eine Projektion der Fläche auf einen dreidimensionalen Spannungsraum möglich.
Ist der Wert für fy(σ), nach Gleichung Tsai-Wu, ebener Spannungszustand kleiner als 1, so liegen die Spannungen im elastischen Bereich. Der plastische Bereich ist erreicht, sobald fy(σ) = 1. Werte größer als 1 sind unzulässig. Das Modell verhält sich ideal-plastisch, das heißt, es findet keine Versteifung statt.
Wissen Sie genau, wie eine Formfindung berechnet wird? Zunächst verschiebt der Formfindungsprozess der Lastfälle mit der Lastfallkategorie „Vorspannung“ die anfängliche Netzgeometrie mittels iterativen Berechnungsschleifen an eine Position, die optimal im Gleichgewicht steht. Für diese Aufgabe verwendet das Programm die Updated Reference Strategy (URS) Methode von Prof. Bletzinger und Prof. Ramm. Diese Technologie zeichnet sich durch Gleichgewichtsformen aus, die nach der Berechnung annähernd genau die initial vorgegebenen Formfindungsrandbedingungen (Durchhang, Kraft und Vorspannung) einhalten.
Durch den integralen Ansatz der URS wird Ihnen neben der reinen Beschreibung der zu erwartenden Kräfte oder Durchhänge auf den zu formenden Elementen auch eine Berücksichtigung von regulären Kräften ermöglicht. Das erlaubt Ihnen im gesamtheitlichen Prozess z. B. eine Beschreibung des Eigengewichts bzw. eines pneumatischen Drucks durch entsprechende Elementlasten.
Mit all diesen Optionen erhält der Berechnungskern das Potential, antiklastische und synklastische im Kräftegleichgewicht stehende Formen für flächige oder rotationssymmetrische Geometrien zu errechnen. Um beide Typen einzeln oder zusammen in einer Umgebung praxisnah umsetzen zu können, haben Sie in der Berechnung zwei Arten der Beschreibung von Formfindungskraftvektoren zur Auswahl:
Zugmethode – Beschreibung der Formfindungskraftvektoren im Raum für flächige Geometrien
Projektionsmethode – Beschreibung der Formfindungskraftvektoren auf einer Projektionsebene mit Fixierung der horizontalen Lage für konische Geometrien
Mit Hilfe des Geschosstyps "Nur Lastübertragung" können Sie im Add-On Gebäudemodell Decken ohne Steifigkeitseffekt in und aus der Ebene berücksichtigen. Dieser Elementtyp sammelt die Lasten auf der Decke und gibt diese an die Stützelemente des 3D-Modells weiter. Somit haben Sie die Möglichkeit, Sekundärbauteile wie z. B. Gitterroste und ähnliche Lastverteilungselemente ohne weiteren Effekt im 3D-Modell simulieren.
Für Elemente in Gebäudemodellen stehen Ihnen mehrere Modellierungswerkzeuge zur Verfügung:
Vertikale Linie
Stütze
Wand
Balkenstab
Rechteckige Decke
Polygonale Decke
Rechteckige Deckenöffnung
Polygonale Deckenöffnung
Dieses Feature erlaubt Ihnen die Elementdefinition auf der Grundebene (z. B. eine Hintergrundfolie) mit einer damit verbundenen multiplen Elementerzeugung im Raum.
Sie fürchten, Ihr Projekt endet im digitalen Turmbau zu Babel? Damit Ihr mehrgeschossiges Bauprojekt sicher steht, unterstützt Sie das RFEM-Add-On Gebäudemodell bei der Arbeit. Es ermöglicht Ihnen die Definition und Manipulation eines Gebäudes mittels Geschosse. Dabei können Sie die Geschosse im Nachhinein vielseitig anpassen und auch die Geschossdeckensteifigkeit auswählen. Informationen über die Geschosse und auch das Gesamtmodell (Schwerpunkt, Steifigkeitszentrum) werden Ihnen dabei tabellarisch und grafisch ausgegeben.
Mit Hilfe der Lastart Pfützenbildung können Sie Regeneinwirkungen auf mehrfach gekrümmte Flächen unter Berücksichtigung der Verschiebungen nach Theorie III. Ordnung simulieren.
Dieser numerische Regenvorgang untersucht die zugeordnete Flächengeometrie und legt fest, welche Regenanteile abfließen und welche sich in Pfützen (Wassersäcken) auf der Fläche sammeln. Die Pfützengröße ergibt dann für die statische Analyse eine entsprechende Vertikallast.
Dieses Feature lässt sich beispielsweise für die Analyse von annähernd horizontalen Membrandachgeometrien unter einer Regenbelastung anwenden.
Zusätzliche formgebende Lastrandbedingungen für Stäbe (Maximale Kraft im Stab, Minimale Kraft im Stab, Horizontale Zugkomponente, Zug am Ende i, Zug am Ende j, Mindestzug am Ende i, Mindestzug am Ende j)
Materialtyp “Gewebe” und “Folie” in Materialbibliothek
Parallel Formfindungen in einem Modell
Simulation von sich nacheinander aufbauenden Formfindungszuständen in Verbindung mit dem Add-On Analyse von Bauzuständen (CSA)
Wenn Sie das Add-On Formfindung in den Basisangaben aktivieren, wird den Lastfällen mit der Lastfallkategorie „Vorspannung“ in Verbindung mit den Formfindungslasten aus dem Stab-, Flächen- und Volumenlastkatalog eine formgebende Wirkung zugewiesen. Dabei handelt es sich um einen Vorspannungslastfall. Dieser mutiert damit zu einer Formfindungsanalyse für das Gesamtmodell mit allen darin definierten Stab, Flächen- und Volumenelementen. Die Formgebung der relevanten Stab- und Membranelemente inmitten des Gesamtmodells erreichen Sie durch spezielle Formfindungslasten und reguläre Lastdefinitionen. Diese Formfindungslasten beschreiben hierbei den erwarteten Verformungs- bzw. Kraftzustand nach der Formfindung in den Elementen. Die regulären Lasten beschreiben die externe Belastung des Gesamtsystems.
Im „Vorspannungslastfall“ gibt Ihnen der Formfindungsprozess ein Strukturmodell mit eingeprägten Kräften aus. Dieser Lastfall zeigt in den Verformungsergebnissen die Verschiebung von der initialen Eingabeposition zur formgefundenen Geometrie. In den kraft- bzw. spannungsbasierten Ergebnissen (Stab- und Flächenschnittgrößen, Volumenspannungen, Gasdrücke, etc.) verdeutlicht er den Zustand zur Aufrechterhaltung der gefundenen Form. Für die Analyse der Formgeometrie bietet Ihnen das Programm einen flächigen Umrisslinienplot mit Ausgabe der absoluten Höhe und einen Neigungsplot zur Visualisierung der Gefällesituation an.
Nun kommt es zur Weiterrechnung und statischen Analyse des Gesamtmodells. Zu diesem Zweck transferiert das Programm die formgefundene Geometrie inklusive der elementweisen Dehnungen in einen universell einsetzbaren Anfangszustand. Nun kann sie in den Lastfällen und Lastkombinationen von Ihnen genutzt werden.
Die Berechnung war erfolgreich? Nun können Sie die Ergebnisse der einzelnen Bauzustände in RFEM grafisch und tabellarisch betrachten. Dabei ermöglicht es Ihnen RFEM, Bauzustände in der Kombinatorik zu berücksichtigen und darüber bei der Bemessung mit einzubeziehen.
Wenn Geometriedifferenzen zwischen dem idealen System und dem aufgrund des vorhergehenden Bauzustandes verformten System entstehen, werden diese intern ausgeglichen. Dabei setzt das neu hinzugefügte System auf das unter Spannung stehende System der vorherigen Bauphase auf. Diese Berechnung erfolgt nichtlinear.
Wandscheiben und wandartige Träger des Gebäudemodells stehen Ihnen als eigenständige Objekte in den Bemessungs-Add-Ons zur Verfügung. Damit ist ein schnelleres Filtern der Objekte in den Ergebnissen sowie eine bessere Dokumentation im Ausdruckprotokoll möglich.
Einfache Definition von Bauzuständen in der RFEM-Struktur mit Visualisierung
Hinzufügen, Entfernen, Modifizieren und Reaktivieren von Stab-, Flächen- und Volumenelementen und deren Eigenschaften (z. B. Stab- und Liniengelenke, Freiheitsgrade für Lager usw.)
Automatische und manuelle Kombinatorik mit Lastkombinationen in den einzelnen Bauzuständen (z. B. zur Berücksichtigung von Montagelasten, Montagekranen etc.)
Berücksichtigung nichtlinearer Effekte wie Zugstabausfall oder nichtlinearen Lagern
Sie haben die gesamte Struktur in RFEM erstellt? Sehr gut, nun ordnen Sie die einzelnen Bauteile sowie Lastfälle den entsprechenden Bauzuständen zu. Dabei können Sie in den jeweiligen Bauzuständen beispielsweise die Gelenkdefinitionen von Stäben und Lagern modifizieren.
Modellieren Sie damit Systemänderungen, wie diese z. B. beim abschnittsweisen Verguss von Brückenträgern oder Stützensenkungen vorkommen. Anschließend ordnen Sie die in RFEM erstellten Lastfälle den Bauzuständen als ständige oder nicht-ständige Last zu.
Wussten Sie schon? Die Kombinatorik ermöglicht es Ihnen, die ständigen und nicht-ständigen Lasten in Lastkombinationen zu überlagern. So ist es Ihnen z. B. möglich, die maximalen Schnittgrößen aus verschiedenen Kranstellungen zu ermitteln oder nur in einem Bauzustand vorhandene Montagelasten zu berücksichtigen.
Beim Gebäudemodell haben Sie zwei Möglichkeiten. Sie können es bereits zu Beginn der Modellierung der Struktur anlegen oder erst im Nachhinein aktivieren. Im Gebäudemodell können Sie dann direkt Stockwerke definieren und diese manipulieren.
Bei der Manipulation der Stockwerke haben Sie die Wahl, ob Sie die inbegriffenen Strukturelemente anhand verschiedener Optionen modifizieren oder beibehalten wollen.
RFEM nimmt Ihnen einiges an Arbeit ab. Beispielsweise erzeugt es automatisch Ergebnisschnitte, sodass Sie sich viele Berechnungen ganz einfach sparen können.
Bei der Antwortspektrumsanalyse von Gebäudemodellen können Sie die Empfindlichkeitsbeiwerte für die horizontalen Richtungen je Geschoss tabellarisch ausgeben.
Mit diesen Kennzahlen ist es möglich, die Empfindlichkeit gegenüber Stabilitätseffekten zu interpretieren.
Wie gewohnt werden Ihnen die Ergebnisse über den Ergebnis-Navigator ausgegeben. Zusätzlich werden Ihnen die Informationen über die einzelnen Stockwerke im Dialogfenster des Add-Ons aufgezeigt. So haben Sie immer einen guten Überblick.
Mit dem Gebäudegeschoss-Generierer im Add-On Gebäudemodell haben Sie die Möglichkeit, automatisch Gebäudegeschosse in Abhängigkeit von der Topologie des Modells zu erstellen.
Im Add-On Analyse von Bauzuständen (CSA) können Sie zusammengesetzte Querschnitte, mittels sogenannter Phasenquerschnitte, verwenden. Über die Bauzustände hinweg können nach und nach Teile eines Querschnitts des Typs "Parametetrisch - Dickwandig II" aktiviert oder auch deaktiviert werden.
Bei der Geschossmodellierung steht Ihnen für die Decken die Option "Nachgiebige Ebene" zur Verfügung.
Bei dieser Modellierungsvariante wird im Prinzip ein identischer Ansatz wie bei der Geschossmodellierung "Starre Ebene" gewählt. Im Unterschied zur starren Ebene wird aber keine Knotenkopplung vom Massenschwerpunkt zu jedem FE-Knoten durchgeführt. Dadurch kann die Nachgiebigkeit der Decke berücksichtigt werden.
Öffnungen mit einer bestimmten Fläche können Sie bei der Gebäudemodellberechnung vernachlässigen. Diese Funktion lässt sich in den globalen Einstellungen der Gebäudegeschosse aktivieren. Es erscheint eine Warnmeldung, dass Öffnungen vernachlässigt wurden.
Im Add-On Gebäudemodell haben Sie die Möglichkeit, für Schubwände und wandartige Träger die Bemessungseigenschaften für die jeweiligen Add-Ons zu definieren.