3D Detail – Stahlbetonfundamente (BETA)
IDEA StatiCa stellt Detail (3D Beta) zur Lösung von 3D-Aufgaben wie der Verankerung in Betonblöcken vor. Die Lösung ermöglicht die Bemessung ohne Vereinfachungen und liefert Nachweise auf Basis des Grenzzustands der Tragfähigkeit (GZT). Die in IDEA StatiCa Detail (3D Beta) implementierte Methode basiert auf dem bereits bewährten Kompatiblen Spannungsfeldverfahren, das angepasst wurde, um 3D-Probleme (dreiachsiger Spannungszustand) lösen zu können. Auch das Grundelement wird auf die dritte Dimension erweitert. Der Vollkörper ist das Grundelement, das Beton repräsentiert und in allen drei Richtungen verformt werden kann. Um ein komplexes Modell für Fundamente erstellen zu können, wurden Entitäten wie Flächenauflager, Fußplatte, Anker und weitere implementiert. All diese Entitäten sowie ihre Funktionalität werden im folgenden Artikel beschrieben.
Die Form des Vollkörpers
Ein Betonblock kann mithilfe des Bauteiltyps „Vollkörper" modelliert werden, dessen Geometrie auf zwei Arten definiert werden kann:
- Rechteckige Form – Diese Option eignet sich zur Definition des Fundaments mit rechteckiger Grundfläche und konstanter Höhe. Durch die Definition von Versätzen für alle Seiten des Blocks können auch geneigte Fundamente modelliert werden.
- Polygonale Grundfläche mit definierter Höhe – Die zweite Option zur Definition der Fundamentform ist die Festlegung der Grundfläche als allgemeines Polygon. Es ist jedoch nicht möglich, ein geneigtes Fundament wie in der vorherigen Option zu erstellen.
Flächenauflager
Das Flächenauflager ist der einzige mögliche Auflagertyp, der für das Vollkörpermodell definiert werden kann. Es gibt zwei Optionen für die Formdefinition – es kann entweder für die gesamte Fläche oder als allgemeine Fläche definiert werden, deren Umriss durch einen Linienzug bestimmt wird.
Der Vorteil des Flächenauflagers liegt in der Möglichkeit, die Steifigkeit zu definieren und ein nichtlineares Verhalten festzulegen, das den Kontakt mit dem Baugrund simuliert. Auflager mit allgemeiner Form (Linienzug) können zur Simulation von Pfählen verwendet werden.
Lasteinleitungselemente
Insbesondere für die Verankerung wurden zwei Entitäten zur Lastübertragung entwickelt:
- Fußplatte – Die Form der Fußplatte kann als Rechteck oder als allgemeiner Linienzug definiert werden. Die Fußplatte kann mit dem Teil der Stütze (Option „Lastübertragung – Stütze") oder ohne Stütze (Option „Lastübertragung – Kräfte") modelliert werden. Bei Auswahl der Option „Lastübertragung – Kräfte" wird die definierte Last direkt auf die Fußplatte aufgebracht. Wenn die Stahlstütze (durch ihren Querschnitt und ihre Länge) definiert ist, wird die Last am Kopf der Stütze aufgebracht, und deren Steifigkeit trägt zur korrekten Verteilung der Spannung auf die Fußplatte bei.
- Einzelanker – Ein Einzelanker ist ein 1D-Element, das die Übertragung von Axialkräften ermöglicht. Der Anker kann automatisch mit der Fußplatte verbunden oder direkt durch eine Einzellast* belastet werden.
*Für Anker in der BETA-Version gelten einige Einschränkungen.
Der Anker überträgt nur Druck und Zug. Querkraft, sofern aus Connection importiert, wird durch Reibung zwischen dem Betonblock und der Fußplatte übertragen. Auf den Anker kann nur eine Axialkraft aufgebracht werden.
In der Detail-Anwendung stehen zwei verschiedene Ankertypen zur Verfügung:
- Ortbeton – Bewehrung
- Verbundanker
Für den Verbundanker kommt ein weiterer Parameter in die Berechnung ein – die Verbundfestigkeit. Dieser Wert ist standardmäßig auf 2 MPa eingestellt und sollte vom Anwender entsprechend den Angaben im Datenblatt des Ankerherstellers angepasst werden.
Lasten
Das Hinzufügen einer Kraftgruppe und einer Flächenlast ist für eine einfache Bedienung unerlässlich. Insgesamt werden drei Lasttypen unterstützt:
- Flächenlast – Eine Flächenlast kann auf jede Betonoberfläche aufgebracht werden. Sie kann auf die gesamte Fläche oder nur auf einen Teil davon über einen bestimmten Bereich aufgebracht werden, der durch seinen Umriss (Linienzug) bestimmt wird.
- Einzellast
- Kraftgruppe – Eine Kraftgruppe ist eine Entität, die mehrere als Gruppe wirkende Einzellasten definiert. Sie kann auf die Fußplatte oder die Betonoberfläche aufgebracht werden. Dieser Lasttyp kann verwendet werden, um Kräfte in Schweißnähten zu simulieren, die Spannungen von der Stütze auf die Fußplatte übertragen.
Bewehrung
Es wurde ein neuer Bewehrungstyp entwickelt, der eine ausreichende Bewehrung eines Fundaments ermöglicht. Eine Stabgruppe bietet mehrere Optionen für die Definition der Bewehrungsstäbe:
- Durch zwei Punkte
- An Flächenkante – An Flächenkante – eine Bewehrungslage wird parallel zur ausgewählten Fläche erstellt. Der Anwender definiert die Anzahl der Stäbe in einer Lage und die Anzahl der Lagen parallel zur ausgewählten Fläche.
- An Flächenkante oder mehreren Kanten – An Flächenkante oder mehreren Kanten ermöglicht die Modellierung von Bewehrungslagen mit komplexer Form (ebene Kurve bezogen auf eine beliebige Betonoberfläche). Die Lage wird daher durch nur einen Stab bestimmt. Es können jedoch mehrere parallele Lagen definiert werden. Die Betondeckung kann für jede Kante unabhängig definiert werden. Dies ist die beste Option zur Modellierung von Bügeln.
- Auf Linienzug
Ergebnisse
Im Ergebnisreiter finden Sie drei grundlegende Nachweise gemäß GZT (Grenzzustand der Tragfähigkeit).
Ergebnisse der Spannungen und Dehnungen in Beton und Bewehrung werden im Abschnitt „Tragfähigkeit" dargestellt. Verbundspannungen und zugehörige Werte sind im Nachweis „Verankerung" zu finden. Ein sehr wichtiger Wert der nichtlinearen Verformung wird im Nachweis „Hilfsgröße" dargestellt.
Einschränkungen der 3D-BETA-Version
Das Ziel der veröffentlichten BETA-Version ist es, unseren Anwendern die Möglichkeit zu geben, sich damit vertraut zu machen, die Lösung zu testen und uns Feedback zu geben. Um die Erwartungen an die BETA-Version von 3D Detail zu verdeutlichen, gibt es in der aktuellen Version einige Einschränkungen:
- Es gibt keine Querkraftübertragung in Ankern – Querkraft wird nur durch Reibung zwischen der Fußplatte und der Betonblockoberfläche übertragen.
- Ergebnisse der Berechnung und Normnachweise sind auf den GZT (Grenzzustand der Tragfähigkeit) beschränkt
- Die Rechenzeit für ein einzelnes Modell eines Betonblocks und einer Fußplatte mit einem Ankerraster kann bis zu 10 Minuten betragen
- Schnitte zur Visualisierung der Ergebnisse werden in BETA 2 verfügbar sein
- Das Eigengewicht der Modellelemente wird nicht berücksichtigt
- Im Modell kann nur ein Vollkörper-Betonblock verwendet werden
Die 3D-Lösung für Detail befindet sich in intensiver Entwicklung und im Verifizierungsprozess. Mit Version 24.0 wird die erste BETA von 3D Detail veröffentlicht. BETA 2 wird voraussichtlich im Juli 2024 mit Verbesserungen bei der Ergebnisinterpretation, einer Reduzierung der aktuellen Einschränkungen und zusätzlichen Funktionen erscheinen. Die BETA von 3D Detail wird nach Abschluss eines gründlichen Verifizierungsprozesses in die ALPHA-Version überführt und mit Version 24.1 veröffentlicht.
Modellbeschreibung und Verifizierungen
Um mehr über das analytische Modell von 3D Detail zu erfahren, lesen Sie den Artikel zum theoretischen Hintergrund:
Darüber hinaus wurden die ersten Verifizierungen des 3D-Detail-Modells und der Ergebnisse in den folgenden Artikeln veröffentlicht:
- 3D Detail Verifizierung: Einfacher Biegeversuch
- 3D Detail Verifizierung: Ankerversuch
- 3D Detail Verifizierung: Querkraftversuche an Trägern mit geringem Bügelanteil
Außerdem können Sie auf die Artikel zum theoretischen Hintergrund von Detail verweisen, die sowohl für 2D- als auch für 3D-Modelle hinsichtlich der finiten Elemente und der Interpretation der GZT-Ergebnisse gelten:
Wir gewähren Ihnen frühzeitigen Zugang zu dieser Beta-Version, damit Sie diese selbst ausprobieren können, während wir sie weiterhin in unserem strengen Verifizierungsprozess testen. Diese ist für aktuelle Anwender mit der neuesten Version und gültigem Wartungsvertrag zugänglich. Wenn Sie die Voraussetzungen erfüllen, können Sie kostenlosen Zugang anfordern, indem Sie auf das Beta-Detail-Symbol im Menüband der Connection-Anwendung klicken. Dadurch gelangen Sie zu dieser Landingpage, auf der Sie das Formular ausfüllen, die Teilnahme am Beta-Programm beantragen und kostenlosen Zugang zu 3D Detail erhalten.
Hinweis: Normnachweise in 3D Detail sind derzeit nur für den Eurocode (EN) verfügbar.