10 wichtigste Fragen zur 3D-Verankerung in Detail

1. Warum wurde die Berechnung vorzeitig abgebrochen?

Die Abbruchkriterien im 3D-CSFM-Modell stellen sicher, dass Simulationen bei definierten Grenzwerten angehalten werden, siehe Lösungsverfahren und Laststeuerungsalgorithmus für 3D-CSFM im theoretischen Hintergrund für IDEA StatiCa Detail. Standardmäßig ist die Option „Stop at Limit Strain" aktiv, die Berechnungen abbricht, wenn bestimmte GZT-Kriterien erreicht werden. Die Ausnutzung wird für Beton, Bewehrung und Verankerung geprüft. Die Betondehnung ist auf 5 % bei Druck und 7 % bei Zug begrenzt, bedingt durch Konvergenzanforderungen. Die plastische Dehnung der Bewehrungsstäbe ist auf 5 % begrenzt, während die Verankerung schlupfbasierte Grenzwerte verwendet, keine Verbundspannungen. Dies kann mehrere Ursachen haben. Die häufigste Ursache ist fehlende Bewehrung. Divergenzfehler können auch durch ein unzureichend gelagertes Modell entstehen, das zu übermäßigen Verformungen führt. Ein weiterer Grund kann sein, dass die Bemessung für die angegebene Last nicht ausreichend ist und das Modell schlicht überlastet ist.

2. Welche Lagerungsarten können in Detail verwendet werden?

Bei der 3D-Detaillierung können Flächenlagerungen Steifigkeit in alle Richtungen hinzufügen. Standardmäßig sind Lagerungen drucksteif (grauer Button), was dazu führen kann, dass Strukturen aufgrund fehlender Zugsteifigkeit „wegfliegen". Um Zug zuzulassen, den Button auf weiß umschalten. Es gibt zwei empfohlene Vorgehensweisen: 

1) Standardmäßige drucksteife Lagerung für auf dem Boden aufliegende Fundamente verwenden, aber daran denken, das Eigengewicht manuell aufzubringen, da es nicht aus IDEA StatiCa Connection exportiert wird. 

2) Bei Teilmodellen (z. B. Balkone, Sockel ...) mit durchgehenden Bewehrungsstäben eine Standardlagerung und eine durchgehende Stabverankerung verwenden. Dies fügt Einzelpunkt-Randbedingungen hinzu, die einen ordnungsgemäßen Kraftfluss sicherstellen und Fehler wie das Abplatzen der Betondeckung oder Modelldivergenzen vermeiden. Ohne diese Maßnahme können Modelle aufgrund von Dehnungsgrenzwerten versagen (z. B. 7 % bei Zug). 

Detaillierte Informationen zu den Funktionalitäten von Detail 3D finden Sie unter Vollständige Funktionalitäten von Detail 3D.

3. Warum ist die Einhaltung der Konstruktionsregeln so wichtig?

Die bemessene Bewehrung sollte normativen Konstruktionsregeln folgen (z. B. Zusatzbewehrung für Zug- und Querkraftübertragung gemäß EN 1992-4). Detail 3D gewährleistet einen ordnungsgemäßen Kraftfluss: Druckzonen im Beton und Zug in den Bewehrungsstäben. Eine korrekte Bewehrung ist unerlässlich, da Beton keine Zugkräfte überträgt. Konstruktionsregeln werden nicht automatisch angewendet – die Anwender müssen sie manuell umsetzen, und es liegt in der Verantwortung des Tragwerksplaners, den Betonblock auf die richtige Weise zu bewehren. 

4. Wie modelliere ich die Querkraftübertragung korrekt?

Querkraft in Fußplatten kann über Reibung, Anker oder Schubknaggen übertragen werden, jedoch kann jeweils nur eine Methode verwendet werden. Bei Reibung ist die korrekte Reihenfolge der Lastfälle zu beachten: zuerst Druckkraft (ständig) aufbringen, dann Querkraft (veränderlich). Wird dies nicht korrekt durchgeführt, kann die Fußplatte „wegfliegen". 

Bei korrekter Belastungsreihenfolge und einem Reibungskoeffizienten von 0,25 kann die Querkraft für 25 % der Druckkraft übertragen werden. Bei Schubknaggen wird die gesamte Querkraft durch diese übertragen, sie werden jedoch in IDEA StatiCa Detail nicht nachgewiesen. Zunächst sind die Schubknaggen in IDEA StatiCa Connection zu prüfen, dann in Detail zu importieren. Die Lastübertragung in Betonblöcken folgt typischen Spannungspfaden (Gurte/Steg) abhängig von der Lastrichtung. Bei Ankern kann der Anwender festlegen, welche Anker für die Querkraftübertragung wirksam sind. Dennoch werden sie in Detail ebenfalls nicht auf Querkraft nachgewiesen – daher ist ihre Tragfähigkeit zunächst in Connection zu überprüfen, bevor die Simulation in Detail durchgeführt wird. 

5. Was ist beim Export von Connection nach Detail zu beachten?

Die Lasten können direkt auf Anker (Zug, Druck, Querkraft) oder die Fußplatte (alle sechs Schnittgrößen) aufgebracht werden. Anker und Fußplatten werden als separate Elemente modelliert, sodass die Kraftübertragung zwischen ihnen manuell über Randbedingungen aktiviert werden muss. 

• Beim Export des Verankerungsmodells aus IDEA StatiCa Connection (z. B. siehe BIM-Verknüpfung Connection zu Detail – Exzentrisch belastete Verankerung) wird die Axialkraftübertragung zwischen Ankern und Fußplatte deaktiviert, um eine unerwünschte zusätzliche Abhebekraft der Fußplatte zu vermeiden. 
• Alternativ muss der Anwender bei der Modellierung von Grund auf und der direkten Lastaufbringung auf die Fußplatte die Axial- und Querkraftübertragung zwischen Fußplatte und Ankern aktivieren.

6. Welche Steifigkeit der Fußplatte sollte eingestellt werden?

Die korrekte Einstellung der Steifigkeit der Fußplatte ist ebenfalls wichtig. In der folgenden Abbildung werden drei Modelle verglichen: 

• eine biegsame Fußplatte, exportiert aus Connection, 
• eine biegsame Fußplatte, direkt in Detail 3D modelliert, mit einer an einem Einzelpunkt aufgebrachten Last, 
• und eine steife Fußplatte mit erhöhter Dicke, mit einer an einem Einzelpunkt aufgebrachten Last. 

Die Ergebnisse zeigten, dass direkt in Detail 3D modellierte biegsame Platten ungenaue Spannungsverteilungen und künstliche Abhebeeffekte erzeugen. Die steife Platte beseitigt diese Probleme und liefert Ergebnisse, die mit dem Connection-Export übereinstimmen. Die Ankerkräfte waren im ersten und dritten Modell ähnlich, aber das zweite Modell (biegsame Platte in Detail 3D) überschätzte die Ankerkräfte um mehr als 30 %, was es zu einem unkorrekten Ansatz macht. Wenn daher kein Export aus Connection erfolgt und die Last an einem Einzelpunkt aufgebracht wird, empfiehlt es sich, die steife Fußplatte zu verwenden, um die Interaktion zwischen Fußplatte und Beton so realitätsnah wie möglich abzubilden.

7. Was ist mit der Kontaktspannung?

In Connection ist es möglich, einen Kontakt zwischen zwei Stahlplatten einzustellen und die Kontaktspannung anzuzeigen. Es ist jedoch eine bekannte Einschränkung (siehe hier), dass die Kontaktspannung zwischen Stahlplatten beim Export von Connection nach Detail vernachlässigt wird.

Dies hat zwei Konsequenzen für das Detail-Modell:

• Ein Teil der Last fehlt vollständig.
• Die importierten Lasten befinden sich nicht im Gleichgewicht, und das Modell kann aufgrund enormer Fußplattenverformungen und Analysedivergenzen nicht berechnet werden.

Wie lässt sich diese Einschränkung beheben? Es gibt zwei Möglichkeiten:

• Das Modell in der Connection-Anwendung so anpassen, dass kein Kontakt zwischen Platten entsteht, der Kontaktspannungen erzeugt. Die Operationen End Plate, Splice und Stiffening plate (Eingabetyp Doubler) erzeugen automatisch im Hintergrund Kontakt!
• Die aus dem Connection-Modell exportierten Lasteffekte löschen; die Fußplatte auswählen und den Lasttyp auf Stütze ändern; einen neuen Lastfall und einen Lastimpuls hinzufügen und die Schnittgrößen wie im Connection-Modell eingeben.

8. Warum überschreitet die Verbundspannung so schnell 99,9 %?

In den meisten Modellen überschreitet die Verbundspannung in der Verankerung bereits bei sehr geringen Zuglastniveaus eine Ausnutzung von 99,9 %. Der Grund ist im Verbundspannungs-Dehnungs-Diagramm zwischen Anker/Bewehrung und Beton zu finden, wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Die Verbundspannung erreicht ihre Grenztragfähigkeit schnell, und jede weitere Belastung führt zu plastischer Verformung des Verbunds. Zur Bestimmung der Verbundfestigkeit für Verbundanker siehe den Artikel Verbundfestigkeit für Anker in Detail 3D.

9. Wie sollte ich die Netzeinstellungen verwalten?

Die Netzqualität ist für 3D-Simulationen, insbesondere bei nichtlinearen Problemen, entscheidend, da sie die Berechnungszeit direkt beeinflusst. Der Netzmultiplikator reicht von 0,5 bis 5, wobei 1 der Standardwert ist. Die Verwendung eines Faktors von 5 beschleunigt Simulationen und hilft bei der Fehleridentifikation, die Ergebnisse können jedoch ungenau sein (Fehler über 30 %). Nach der Modellverifikation wird für genaue Spannungen und Dehnungen ein Faktor von 1 oder kleiner empfohlen, was die Analysezeit erhöht. Ein grobes Netz (höherer Faktor) wird für die Vorbemessung verwendet, während ein feineres Netz (niedrigerer Faktor) genauere Ergebnisse in der abschließenden Simulation liefert, insbesondere im Bereich der Anker.

10. Ist es möglich, mehrere Verankerungen zu importieren?

Ja, das ist möglich. Und was passiert nach dem Export mehrerer Verankerungen aus Connection nach Detail? Je nach Anzahl der Fußplatten in Connection werden zwei oder mehr Betonblöcke in Detail importiert, wobei jede Fußplatte ihren eigenen Betonblock hat. Die bekannte Einschränkung (siehe Bekannte Einschränkungen für Detail 3D) besteht darin, dass mehrere Volumenkörper in Detail nicht unterstützt werden. Der Anwender muss daher alle Blöcke bis auf einen löschen und alle anderen Fußplatten diesem Block zuordnen. Dadurch wird die korrekte Verteilung der Anker- und Schweißnahtkräfte erreicht.

Fazit

Das 3D-CSFM in IDEA StatiCa Detail ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Modellierung des nichtlinearen Verhaltens von Beton und Bewehrung und gewährleistet die Konformität mit Eurocode und ACI. Es behandelt effektiv Verbundwechselwirkungen, Zug- und Druckzonen sowie Bewehrungsanordnungen und bietet robuste Lösungen für Verankerung und Lastübertragung. Die Kriterien stellen sicher, dass Berechnungen abgebrochen werden, wenn kritische Dehnungsgrenzwerte erreicht werden, und eine korrekte Bewehrungsdetaillierung ist für realistische Ergebnisse unerlässlich. Die Netzqualität ist für genaue Simulationen entscheidend, wobei feinere Netze eine höhere Genauigkeit auf Kosten längerer Analysezeiten bieten. Zusatzbewehrung, Querkraftübertragung und korrekte Exporteinstellungen sind ebenfalls Schlüsselfaktoren für normkonforme und genaue Bemessungen.

Für detailliertere Informationen werfen Sie einen Blick auf das Webinar 10 am häufigsten gestellte Fragen zur 3D-Verankerung.