Hintergrund und Gedanken
Willkommen zu meinem sechsten Blogbeitrag! Wie es inzwischen Tradition ist, möchte ich eine persönliche Note einbringen. Wie viele von uns können sich noch erinnern, wann wir unser erstes Fachwerk berechnet haben? Ich war 18 Jahre alt und im zweiten Jahr der Sixth Form (Oberstufe), wo ich mich auf die A-Levels vorbereitete. Das Fach war Technisches Zeichnen und die Methode war die Bow'sche Notation.
Wie viele (ältere) Ingenieure erinnern sich daran? Einige Jahre später war ein Fachwerk das erste Tragwerk, das ich an der Universität gebaut habe – zugegebenermaßen mit drei weiteren Teammitgliedern. Es wurde gesägt, gebohrt, verschraubt und bis zum Versagen getestet – was nicht allzu lange dauerte, wie ich hinzufügen muss!
Fachwerke gibt es natürlich in vielen Formen und Größen, und sie werden aus so vielen verschiedenen Materialien hergestellt, dass man sie kaum zählen kann – erinnern Sie sich noch an Strukturen aus Trinkhalmen? Der gemeinsame Nenner waren jedoch stets die Verbindungen – nicht nur, wie sie zu behandeln, sondern auch, wie sie zu bemessen sind. Für ihre Größe bieten sie eine außergewöhnliche Tragfähigkeit, was einer der Gründe dafür ist, dass sie eine bevorzugte Lösung für schwierige Situationen sind!
Ich habe schon immer eine Vorliebe für Holz gehabt – sehr wahrscheinlich, weil ich ein begeisterter Fan historischer Gebäude und Bautechnik bin. Holz war der erste Baustoff, der für Fachwerke verwendet wurde. Holzfachwerke reichen bis in das Jahr 2500 v. Chr. zurück. Die alten Griechen verwendeten sie in ihren Dächern, und sie prägten die mittelalterliche Architektur maßgeblich.
Viele der alten Zehntscheunen wurden mit diesen Methoden errichtet. Die Verbindungen wurden innerhalb der Holzbauteile mit traditionellen Zapfenverbindungen und Holznägeln oder Ähnlichem hergestellt. Die Werkzeuge, die den Handwerkern der Vergangenheit zur Verfügung standen, waren recht begrenzt, was dazu führte, dass dreidimensionale Kunstwerke entstanden und nicht nur etwas, das Wind und Regen abhält.
Holzfachwerke wurden im Wohnungsbau schon immer verwendet, von mittelalterlichen Herrenhäusern bis zu modernen Wohnhäusern. Was sich dramatisch verändert hat, sind die angewandten Methoden und Formen. Die heutigen modernen Dachbinder mit ihren schlanken Bauteilen und konstruierten Verbindungsblechen haben mit dem Bild oben nur noch wenig gemein.
Bei der Betrachtung der Entwicklung von Stahlfachwerken muss man zunächst auf das Eisen schauen, sowohl Gusseisen als auch Schmiedeeisen, und auf seine Rolle. Der Sektor, der für diese Entwicklung weitgehend verantwortlich ist, ist der Verkehr – man denke an die Eisenbahnen (auf der ganzen Welt).
Es gibt viele schöne Beispiele rund um den Globus:
Brunels linsenförmiges Fachwerk – Royal Albert Bridge – Eisen
Die Forth Bridge (Firth of Forth) – Stahl
Während Brücken bei klugen und eleganten Entwürfen die Vorreiterrolle übernahmen, stellte sich die Frage, wer aus Sicht des Hochbaus nachziehen würde. Im Jahr 1889 wurde in Paris die „Eiserne Dame“ errichtet (auch bekannt als Eiffelturm). Obwohl er aus Schmiedeeisen gebaut wurde, ist er vielleicht eines der berühmtesten Bauwerke mit Fachwerken und Fachwerkwirkung weltweit.
Natürlich setzen moderne Tragwerke immer häufiger auf Fachwerke, um besondere Randbedingungen zu bewältigen oder stützenfreie Spannweiten zu erreichen. Es gibt mehrere Fachwerkarten, einige davon mit besonderen Namen:
- Bogensehnenträger
- Fächerfachwerk
- Fink-Binder
- Mansardenfachwerk
- Howe-Fachwerk
- Hängewerk
- Doppeltes Hängewerk
- Vierendeel-Träger (eine Form des Fachwerks)
- Warren-Fachwerk
- usw.
Tragwerksberechnung, Bemessungsmethoden und Baustoffe haben sich verändert, aber eines bleibt konstant: die schwierige Bemessung der Verbindungen. Die korrekten Lastanforderungen an ein Fachwerk (und im Übrigen an jedes Tragwerk) bewerten zu können, ist von größter Bedeutung. Viele Fachwerke haben ihren Ursprung in der Geometrie, daher ist es wichtig, dass die Geometrie ebenfalls als wichtiger, mitunter architektonischer Faktor erkannt wird.
Und was ist mit IDEA StatiCa?
Die Bauteile selbst (in einem Stahlfachwerk) sind oft schlank und daher zusätzlichen Einwirkungen ausgesetzt, die einen Planer dazu veranlassen könnten, höherwertige Berechnungsverfahren in Betracht zu ziehen. Eine Softwarelösung, die all diese Anforderungen mit einer einfach zu bedienenden Funktionalität vereint, ist in der heutigen Welt des Tragwerksplaners unverzichtbar.
Zum Glück gibt es IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection kann die heutigen komplexen Fachwerkverbindungen sicher und effizient bemessen – es gibt auch fortgeschrittene Holzverbindungen (mit Blechen). Das Programm kann das statische Modell aus mehreren FEA-Lösungen mithilfe einer Anwendung namens IDEA StatiCa Checkbot verwenden. Checkbot stellt die Verknüpfung zwischen FEA und IDEA StatiCa Connection her. Wenn der Planer sich um die Bauteile innerhalb des Fachwerks sorgt, steht IDEA StatiCa Member zur Verfügung. IDEA StatiCa Checkbot kann auch zur Steuerung dieser Lösung verwendet werden.
Wo passt IDEA StatiCa hinein? Betrachten wir ein einfaches, aber wesentliches Beispiel:
Dies sind möglicherweise die am meisten unterschätzten Bauwerke in unseren heutigen Straßennetzen. Sie sind allen üblichen Lastarten ausgesetzt: Eigengewicht, Nutzlast, Wind, Schnee und Eis. Hinzu kommen möglicherweise noch dynamische Lasten. Und das alles bei dem Versuch, etwas zu bemessen, das effizient gefertigt und schnell montiert werden kann.
Dieses Beispiel wurde vereinfacht, da wir uns auf die Interaktion mit der IDEA StatiCa-Lösung konzentrieren möchten.
Schritt 1 – Finite-Elemente-Berechnung
Das Tragwerk wurde in einer geeigneten Anwendung für die Finite-Elemente-Berechnung (FEA) modelliert, berechnet und bemessen – in diesem Fall Autodesk Robot Structural Analysis. Eine vollständige Liste der unterstützten Anwendungen finden Sie auf unserer Website.
Das IDEA StatiCa Checkbot-Add-in wurde aus Robot heraus gestartet. Die Installation der meisten dieser sogenannten Add-ins für die anderen unterstützten Anwendungen erfolgt automatisch, damit ihre Verwendung noch schneller und einfacher wird.
Schritt 2 – Export nach Checkbot
Bauteile und Verbindungen werden in Robot ausgewählt und nach Checkbot exportiert. Falls Änderungen auftreten, kann das Checkbot-Modell auch mit der FEA synchronisiert werden. Die im FEA-Modell eingegebenen äußeren Lasten werden für die globale Berechnung verwendet, und die Schnittgrößen – Normalkräfte, Querkräfte und Momente – werden nach Checkbot übertragen. Sobald sie in Checkbot vorliegen, stehen sie sowohl in Connection als auch in Member zur Verfügung.
In Checkbot können Sie auch die Lasteffekte visualisieren.
Bauteile in IDEA StatiCa Checkbot können auch zusammengeführt werden – so lassen sich durchlaufende Bauteile, die aus kürzeren Längen bestehen, für die Bemessung einer Verbindung zusammenführen. In diesem Beispiel wurden die Untergurtbauteile auf diese Weise angepasst. Der Obergurt hingegen nicht, da dies an seiner Verbindung nicht erforderlich ist. Das ist besonders hilfreich bei FEA-Anwendungen, die durchlaufende Bauteile auf diese Weise modellieren müssen.
Schritt 3 – Verbindungen bemessen und nachweisen
Verbindungen können mit IDEA StatiCa Connection bemessen und nachgewiesen werden, und Bauteile können in IDEA StatiCa Member nachgewiesen werden. Die Positionierung der Bauteile war schon immer ein Kompromiss zwischen Berechnung und Wirklichkeit. Bauteile können sich bei der Fertigung verschieben, damit sie leichter geschweißt werden können – das kann häufig zu Problemen im statischen Modell führen. In IDEA StatiCa können wir Exzentrizitäten anpassen, um diese Abweichung zu berücksichtigen.
In der Connection-Anwendung müssen Sie darauf achten, dass der Modelltyp (Model Type) mit dem Berechnungsmodell übereinstimmt. Wenn Sie Verbindungen mit einer einzelnen Schraube in einem herkömmlichen Knotenblech verwenden möchten, müssen Sie daran denken, den Modelltyp entsprechend zu ändern – auf N,Vy,Vx – einen Typ, 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 erhalten. Mit vier einfachen Operationen zur Erstellung einer vollständig geschweißten Verbindung sehen wir, dass alle maßgebenden Lasteffekte (unsere Bemessungskombinationen) nacheinander nachgewiesen wurden und alle erfüllt sind.
Schritt 4 – Bauteile nachweisen
Der zweite Anschluss kann auf ähnliche Weise bemessen werden, bevor der Verband in IDEA StatiCa Member betrachtet wird.
Dies zeigt jedoch, dass es noch reichlich Spielraum gibt, weitere Effizienzpotenziale bei Material und Verbindungen zu untersuchen, da viele Fachwerkstäbe überdimensioniert sind, um das Fehlen einer fortgeschrittenen Berechnung auszugleichen.
Schlussgedanken
Fachwerke sind ein wesentlicher Bestandteil des Tragwerksbaus, und ihr Einsatz wird in Zukunft immer wagemutiger werden. Fortschritte bei Baustoffen und Bauweisen werden dazu führen, dass in den kommenden Jahren neue Entwürfe und Konzepte entstehen – dessen bin ich mir sicher. Was ich beim Ansatz von IDEA StatiCa als Datenspeicher sehe, ist das Beste aus beiden Welten: Wir können die Experten auf dem Gebiet der FEA weiterarbeiten und erstklassige Lösungen entwickeln lassen, während wir deren Ergebnisse und Modelle verknüpfen, um die Verbindungsmodelle und Bauteilnachweise zu erstellen – ein Bereich, in dem wir branchenführend sind!
Ich hoffe, dieser Ausflug in die Welt der Fachwerke hat Ihnen gefallen und Sie haben gesehen, wie wir bei IDEA StatiCa Sie auf verschiedene Weise unterstützen können. Achten Sie auf einen verwandten Artikel zu Verbänden, der in Kürze erscheint.
