Fachwerkstäbe und IDEA StatiCa

Hintergrund und Überlegungen

Willkommen zu meinem sechsten Blogbeitrag! Wie es bereits zur Tradition geworden ist, bringe ich gerne eine persönliche Note ein. Wer von uns kann sich noch daran erinnern, als er sein erstes Fachwerk analysiert hat? Ich war 18 Jahre alt und befand mich im zweiten Jahr der Oberstufe, wo ich mich auf meine A-Level-Prüfungen vorbereitete. Das Fach war Technisches Zeichnen und die Methode war die Bow'sche Notation.

Wie viele (ältere) Ingenieure erinnern sich daran? Ein paar Jahre später war ein Fachwerk das erste Tragsystem, das ich an der Universität gebaut habe – zugegeben, zusammen mit drei anderen Teammitgliedern. Es wurde gesägt, gebohrt, verschraubt und bis zum Bruch belastet – was, ich muss es zugeben, nicht allzu lange dauerte!

Fachwerke gibt es natürlich in vielen Formen und Größen und werden aus so vielen verschiedenen Materialien hergestellt, dass es schwer ist, sie zu zählen – erinnern Sie sich an Trinkhalm-Konstruktionen? Der gemeinsame Nenner war jedoch immer die Verbindung – nicht nur wie sie behandelt, sondern auch wie sie bemessen werden sollte. Für ihre Größe bieten sie außergewöhnliche Tragfähigkeiten, was einer der Gründe ist, warum sie eine bevorzugte Lösung für schwierige Situationen sind!

Ich habe schon immer eine Vorliebe für Holz gehabt – möglicherweise weil ich ein begeisterter Kenner historischer Gebäude und Konstruktionen bin. Holz war das erste Baumaterial, das zur Herstellung von Fachwerken verwendet wurde. Holzfachwerke reichen bis ins Jahr 2500 v. Chr. zurück. Die alten Griechen verwendeten sie in ihren Dächern, und sie waren ein wichtiges Element der mittelalterlichen Architektur.

Viele der alten Zehntscheunen wurden nach diesen Methoden gebaut. Die Verbindungen wurden innerhalb der Holzbauteile mit traditionellen Zapfenverbindungen und Holzdübeln oder Ähnlichem hergestellt. Die Werkzeuge, die den Handwerkern der Vergangenheit zur Verfügung standen, waren begrenzt, was zu dreidimensionalen Kunstwerken führte, anstatt nur zu etwas, das Wind und Regen abhält.

Holzfachwerke wurden immer im Wohnungsbau eingesetzt – von mittelalterlichen Herrenhäusern bis hin zu modernen Wohngebäuden. Was sich dramatisch verändert hat, sind die verwendeten Methoden und Formen. Die modernen Dachbinder von heute mit ihren schlanken Bauteilen und technisch gefertigten Verbindungsplatten sind weit entfernt von dem obigen Bild.

Wenn man die Entwicklung von Stahlfachwerken betrachtet, muss man zunächst auf Eisen eingehen, sowohl Gusseisen als auch Schmiedeeisen, und seine Rolle. Der Sektor, der maßgeblich für diese Entwicklung verantwortlich ist, ist der Transportbereich – man denke an die Eisenbahnen (auf der ganzen Welt).

Es gibt viele hervorragende Beispiele auf der ganzen Welt:

Brunels Linsenförmiges Fachwerk – Royal Albert Bridge - Eisen

Die Firth of Forth-Eisenbahnbrücke - Stahl

Da Brücken den Weg in Sachen cleveres und elegantes Design anführten, wer würde aus der Perspektive des Hochbaus den nächsten Schritt wagen? Im Jahr 1889 wurde die „Eiserne Dame" in Paris gebaut (auch bekannt als der Eiffelturm). Obwohl aus Schmiedeeisen gebaut, ist er vielleicht eines der ikonischsten Bauwerke, das Fachwerke und Fachwerktragwirkung in der heutigen Welt aufweist.

Natürlich setzen moderne Strukturen immer mehr auf Fachwerke, um besondere Situationen oder große Spannweiten zu überbrücken. Es gibt verschiedene Fachwerkstypen, einige mit besonderen Namen:

• Bogenbinderfachwerk
• Fächerfachwerk
• Fink-Fachwerk
• Gambrel-Fachwerk
• Howe-Fachwerk
• Kehlbalkenfachwerk
• Doppelkehlbalkenfachwerk
• Vierendeel-Träger (eine Form des Fachwerks)
• Warren-Fachwerk
• usw.

Statische Berechnungsmethoden, Bemessungsverfahren und Materialien haben sich verändert, aber die eine Konstante hinsichtlich der anspruchsvollen Verbindungsbemessung bleibt bestehen. Die korrekten Lastanforderungen an ein Fachwerk (und jede andere Struktur) richtig zu bewerten, ist von größter Bedeutung. So viele Fachwerke haben ihre Wurzeln in der Geometrie, daher ist es wichtig, dass die Geometrie auch als wichtiger, manchmal architektonischer Faktor anerkannt wird.

Was ist mit IDEA StatiCa?

Die Bauteile selbst (in einem Stahlfachwerk) sind oft schlank und unterliegen daher zusätzlichen Effekten, die einen Tragwerksplaner dazu veranlassen könnten, höhere Berechnungsformen in Betracht zu ziehen. Eine Softwarelösung zu haben, die all diese Anforderungen mit einer benutzerfreundlichen Funktionalität kombiniert, ist in der heutigen Tragwerksplanungswelt absolut unerlässlich.

Zum Glück gibt es IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection kann die heutigen komplexen Fachwerkverbindungen sicher und effizient bemessen – es gibt auch erweiterte holzbasierte Verbindungen (mit Platten). Es kann das analytische Modell aus mehreren FEM-Lösungen über eine Anwendung namens IDEA StatiCa Checkbot verwenden. Checkbot stellt die Verbindung zwischen FEM und IDEA StatiCa Connection her. Wenn der Tragwerksplaner sich um die Bauteile im Fachwerk sorgt, steht IDEA StatiCa Member zur Verfügung. IDEA StatiCa Checkbot kann auch zur Steuerung dieser Lösung verwendet werden.

Wo passt IDEA StatiCa hinein? Betrachten Sie ein einfaches, aber wesentliches Beispiel:

Dies sind möglicherweise die am meisten unterschätzten Strukturen in unseren heutigen Straßennetzen. Sie sind allen üblichen Lastarten ausgesetzt: Eigengewicht, Verkehrslast, Wind, Schnee und Eis. Dann sind möglicherweise auch dynamische Lasten zu berücksichtigen. All das bei dem Versuch, etwas zu bemessen, das effizient gefertigt und schnell errichtet werden kann.

Dieses Beispiel wurde vereinfacht, da wir uns auf die Interaktion mit der IDEA StatiCa-Lösung konzentrieren möchten.

Schritt 1 – Finite-Elemente-Analyse

Die Struktur wurde in einer geeigneten Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Anwendung modelliert, analysiert und bemessen – in diesem Fall Autodesk Robot Structural Analysis. Bitte besuchen Sie unsere Website für eine vollständige Liste der unterstützten Anwendungen.

Das IDEA StatiCa Checkbot-Add-in wurde direkt aus Robot heraus gestartet. Die Installation der meisten dieser sogenannten Add-ins für die anderen unterstützten Anwendungen erfolgt automatisch, um ihre Verwendung noch schneller und einfacher zu machen.

Schritt 2 – Export nach Checkbot

Bauteile und Verbindungen werden in Robot ausgewählt und nach Checkbot exportiert. Sollten Änderungen auftreten, kann das Checkbot-Modell auch mit der FEA synchronisiert werden. Die im FEA-Modell eingegebenen äußeren Lasten werden für die globale Analyse verwendet, und die inneren Schnittgrößen – Normalkräfte, Querkräfte und Momente – werden an Checkbot übertragen. Einmal in Checkbot, stehen sie sowohl Connection als auch Member zur Verfügung.

In Checkbot können Sie auch die Lasteffekte visualisieren.

Bauteile in IDEA StatiCa Checkbot können auch zusammengeführt werden – so können durchlaufende Bauteile aus kleineren Längen für eine Verbindungsbemessung zusammengeführt werden. In diesem Beispiel wurden die Untergurtbauteile auf diese Weise angepasst. Umgekehrt wurde der Obergurt nicht angepasst, da an seiner Verbindung kein Bedarf besteht. Dies ist sehr praktisch bei der Verwendung von FEA-Anwendungen, die durchlaufende Bauteile auf diese Weise modellieren müssen.

Schritt 3 – Bemessung und Normnachweis der Verbindungen

Verbindungen können mit IDEA StatiCa Connection bemessen und nachgewiesen werden, und Bauteile können in IDEA StatiCa Member nachgewiesen werden. Die Positionierung von Bauteilen war immer ein Kompromiss zwischen dem Berechnungsmodell und der Realität. Bauteile können bei der Fertigung verschoben werden, um das Schweißen zu erleichtern – dies kann häufig zu Problemen im analytischen Modell führen. In IDEA StatiCa können wir Exzentrizitäten anpassen, um diese Abweichung zu berücksichtigen.

In der Connection-Lösung muss man daran denken, das Berechnungsmodell beim Blick auf den Modelltyp abzugleichen. Wenn Sie einfache Schraubenverbindungen in einem herkömmlichen Knotenblech verwenden möchten, müssen Sie daran denken, den Modelltyp entsprechend zu ändern – auf N,Vy,Vx – einen, der keine Momente zulässt. Wenn Ihre Verbindung (wie in diesem Beispiel) jedoch ein Moment aufnehmen kann, kann dieser Schritt entfallen.

Die Arbeit mit den tatsächlichen Bemessungslastkombinationen ist unerlässlich, um ein sicheres und effizientes Verbindungsmodell und einen Normnachweis zu erzielen. Mit vier einfachen Operationen zur Erstellung einer vollständig geschweißten Verbindung können wir sehen, dass alle maßgebenden Lasteffekte (unsere Bemessungskombinationen) der Reihe nach nachgewiesen wurden und alle bestanden haben.

Schritt 4 – Nachweis der Bauteile

Die zweite Verbindung kann auf ähnliche Weise bemessen werden, bevor die Diagonale in IDEA StatiCa Member untersucht wird.

Was dies jedoch zeigt, ist, dass es reichlich Spielraum gibt, weitere Material- und Verbindungseffizienzen zu untersuchen, da viele Fachwerkbauteile überbemessen werden, um diesen Mangel an erweiterter Berechnung auszugleichen.

Abschließende Gedanken

Fachwerke sind ein wesentlicher Bestandteil der Tragwerksplanung, und ihr Einsatz wird immer anspruchsvoller werden. Fortschritte bei Materialien und Konstruktionsmethoden werden dazu führen, dass in den kommenden Jahren neue Entwürfe und Konzepte entstehen – davon bin ich überzeugt. Was ich bei dem Ansatz von IDEA StatiCa als Datenspeicher sehe, ist das Beste aus beiden Welten: Wir können Experten im FEA-Bereich ihre erstklassigen Lösungen weiterentwickeln lassen, während wir uns mit ihren Ergebnissen und Modellen verknüpfen, um die Verbindungsmodelle und Bauteilnachweise zu erstellen – ein Bereich, in dem wir führend sind!

Ich hoffe, Sie haben diesen Ausflug in die Welt der Fachwerke genossen und erfahren, wie wir bei IDEA StatiCa Ihnen auf verschiedene Weisen helfen können. Achten Sie auf einen verwandten Artikel, der bald über Verbände erscheinen wird.