Exzentrisch belastete Verankerung in 3D Detail

Das Tutorial erläutert Schritt für Schritt den kompletten Aufbau des Modells in IDEA StatiCa Detail. Dabei wird bewusst keine fertige Vorlage verwendet, damit Sie die allgemeine Eingabe aller notwendigen Parameter von Grund auf nachvollziehen können.

Das Thema Import von Verankerungen aus dem Programm Connection in das Programm Detail wird in einem separaten Tutorial behandelt.

1 Neues Projekt

Starten Sie die IDEA StatiCa-Anwendung. Öffnen Sie im Hauptfenster das Programm Detail, um ein neues Projekt anzulegen.

Wählen Sie den Modelltyp 3D und die leere Vorlage. Passen Sie die Parameter gemäß der unten dargestellten Abbildung an (Beton C25/30, Betondeckung 40 mm).

Anschließend klicken Sie auf Erstellen.

2 Geometrie

Es wurde nun ein völlig leeres Projekt erzeugt, das von Grund auf aufgebaut werden muss.
Im ersten Schritt definieren Sie einen neuen Betonblock (Volumenkörper).

Als Nächstes wird der Block durch ein Flächenauflager unterstützt. Dabei können unterschiedliche Steifigkeiten in den einzelnen Richtungen vorgegeben werden. Standardmäßig ist das Auflager in vertikaler Richtung auf nur Druck gesetzt, da der Baugrund keine Zugkräfte übertragen kann.

Der Wert der Bodenfedersteifigkeit wird üblicherweise in Zusammenarbeit mit einem Geotechniker festgelegt.
Er hängt im Allgemeinen vom Baugrund, der Gründungstiefe, der Fundamentform und den aufgebrachten Lasten ab. Im Beispiel wird ein Wert von k_z = 40 MN/m³ verwendet, was guten Baugrundverhältnissen (sehr steifer Ton) entspricht. Die Werte für k_x und k_y werden mit je 8 MN/m³ angenommen.

Das Flächenauflager kann auf die gesamte Fundamentfläche oder nur auf einen durch eine Polylinie abgegrenzten Teilbereich gelegt werden. In diesem Beispiel verwenden wir die Voreinstellung Ganze Fläche.

Hinweis:
Die Anwendung ersetzt nicht die geotechnische Überprüfung des Fundaments. Sie prüft weder die Bodenpressung noch die Standsicherheit des Fundamentes. Wird beispielsweise ein zu hohes Moment angesetzt, kann das Fundament kippgefährdet sein (sichtbar an einer divergierenden Berechnung oder großen Verformungen).

Im nächsten Schritt werden die Lastübertragungselemente definiert. Zuerst wird eine quadratische Fußplatte in der Nähe des Fundamentrandes erstellt. Die Querkräfte werden über Reibung zwischen Fußplatte und Betonoberfläche übertragen. Alternativ könnte die Querkraftübertragung auch über eine Schubknagge oder über die Anker erfolgen.

Die Plattendicke wird auf 60 mm festgelegt, damit sich die Platte wie ein starres Bauteil verhält.

Im Anschluss werden die Anker definiert. Diese sollen hier aus Stahlgüte 10.9 bestehen. Zunächst muss ein neues Material angelegt werden. Wechseln Sie dazu in den Reiter Materialien, kopieren Sie den vorhandenen Betonstahl B500B und speichern Sie die Kopie unter dem Namen Stahl 10.9.

Zurück im Reiter Entwurf fügen Sie einen neuen Einzelanker ein. Dabei stehen zwei Typen zur Verfügung:

• Einbetonierte Anker: Vorab eingesetzte Anker mit ähnlichen Verbundeigenschaften wie Bewehrungsstäbe
• Klebanker: Nachträglich gesetzte (chemische) Anker, bei denen die Verbundfestigkeit individuell vorgegeben werden kann

In diesem Beispiel verwenden wir Klebanker, Material Stahl 10.9, mit einer Verbundfestigkeit von 5,0 MPa.
Der Wert ist der technischen Dokumentation des jeweiligen Herstellers zu entnehmen.

Der Anker muss mit der Fußplatte geometrisch verbunden werden, da die Lasten darüber eingeleitet werden.
Kopieren Sie den Anker dreimal und passen Sie die Positionen an.

3 Bewehrung

Wählen Sie im Menü Bewehrung → 3D Stabgruppe und geben Sie anschließend Durchmesser, Materialeigenschaften und Geometrie der Bewehrung an.

Kopieren Sie diese Eingabe und ändern Sie lediglich die zugehörige Oberfläche. Alle übrigen Parameter bleiben unverändert.

Im nächsten Schritt kopieren Sie die Eingabe erneut und passen die Parameter so an, dass die horizontale Bewehrung definiert ist.

Hinweis:
Mit zunehmender Anzahl von Bewehrungsstäben kann die räumliche Ansicht des Fundaments unübersichtlich werden. Sie können einzelnen Stabgruppen vorübergehend deaktivieren, um die Darstellung zu vereinfachen. Vergessen Sie nicht, alle Stabgruppen wieder zu aktivieren, wenn Sie fertig sind. Um korrekte Ergebnisse zu erhalten, muss das Modell ordnungsgemäß bewehrt sein.

Zum Abschluss wird die Querkraftbewehrung eingegeben. Diese kann als vertikale Bügelstäbe modelliert werden, die an beiden Enden mit starrem Verbund angesetzt sind. Kopieren Sie dazu die letzte Eingabe und passen Sie die Parameter wie im Bild unten an.

4 Lasten und Kombinationen

Für das Fundament werden zwei Lastfälle angesetzt:

• LF1: Eigengewicht
• LF2: Ständige Last

Eigengewicht

Beginnen Sie mit dem Lastfall Eigengewicht.

Ständige Last

Im nächsten Schritt werden die Bemessungswerte der ständigen Last definiert, die auf die Fußplatte wirken.
Dabei können die sechs Komponenten einer Punktlast sowie deren Angriffspunkt auf der Fußplatte angegeben werden.

Lastkombination

Legen Sie anschließend eine Bemessungskombination an. Die Kombinationsbeiwerte werden entsprechend den Vorgaben der Norm angesetzt.

Da die in diesem Beispiel definierten Einzellasten bereits als Bemessungswerte vorliegen, wird der Faktor für den Lastfall LF2 gleich 1,0 gewählt.

5 Berechnung und Nachweis

Bevor Sie die Berechnung starten, empfiehlt es sich, den Vernetzungsfaktor auf den Wert 2 oder 3 zu setzen.
Dadurch wird die Rechenzeit reduziert und eventuelle Divergenzprobleme können schneller erkannt werden.
Dieser Schritt ist optional – für die endgültige Berechnung sollte der Faktor wieder auf 1 zurückgestellt werden.

Hinweis zur Rechenzeit:
Die Berechnung basiert auf einem nichtlinearen Beton-Stahl-Verbundmodell. Für dieses Beispiel mit mehr als 20.000 Volumen-Elementen benötigt ein aktueller, leistungsstarker Computer mit Vernetzungsfaktor 1 etwa 2 Minuten.

Nach Abschluss der Berechnung erscheint oben links auf dem Bildschirm eine Kurzübersicht der Ergebnisse.
Wechseln Sie anschließend in den Reiter Nachweis.
Dort werden die Zusammenfassungen der Ergebnisse angezeigt, unter anderem die Spannungstrajektorien im Beton und der Spannungsverlauf in der Bewehrung.

Äquivalente Hauptspannung im Beton

Die äquivalente Hauptspannung im Beton wird aus dem Volumenverhalten des Betonblocks bestimmt und direkt mit dem Bemessungswert der Betondruckfestigkeit f_cd verglichen.

Der Zusammenhang zwischen der maximalen Betondruckspannung σ_c,3 und der effektiven Hauptspannung wird über den Kappa-Faktor beschrieben.

Schnittführungen

Um die Spannungsverteilung auch im Inneren des Betonblocks zu untersuchen, können beliebige Schnittebenen definiert werden. Lage und Ausrichtung dieser Schnitte können frei gewählt werden.

Es ist möglich, mehrere Schnittebenen einzurichten und später wieder zur Standardansicht zurückzukehren.

Spannungen in der Bewehrung

Im Bewehrungsnachweis lassen sich die Spannungen und Dehnungen sämtlicher Bewehrungsstäbe und Anker darstellen. In diesem Beispiel zeigt sich, dass der Anker an der Fundamentecke die höchste Zugspannung aufweist.

Verankerung

Im Menü Verankerung können die Verbundspannungen sowie die Gesamtkräfte in den einzelnen Bewehrungsstäben und Ankern ausgegeben werden.

Mit den Programmen Connection und Detail lassen sich sowohl die Anker als auch der Betonblock vollständig überprüfen.

Hinweis:
Einige Nachweise aus DIN EN 1992-4, die im Programm Connection nicht geführt werden können, werden durch das Programm Detail geführt:

• 7.2.1.5 Versagen durch Herausziehen des Befestigungselementes
• 7.2.1.6 Kombiniertes Versagen durch Herausziehen und Betonbruch bei nachträglich montierten Verbunddübeln
• 7.2.1.7 Versagen durch Spalten des Betons

Der Betonausbruchnachweis wird nur für Anker mit Unterlegscheiben geführt. Darüber hinaus berücksichtigt Detail automatisch die Bewehrung in Ankernähe, wodurch die Tragfähigkeit bei maßgebendem Betonausbruchkegel deutlich erhöht werden kann.

Verformungen

Es wird empfohlen, nach der Berechnung auch die Verformungen zu überprüfen. Auffällige große Verschiebungen, Rotationen oder lokale Netzverzerrungen können auf Modellierungs- oder Stabilitätsprobleme hindeuten.

Zur Darstellung der Verformungen wechseln Sie in das Menü Zusatz und aktivieren die Option Verformung.

6 Bericht

Zum Abschluss öffnen Sie die Berichtsvorschau/Druckausgabe. IDEA StatiCa Detail bietet hier einen frei anpassbaren Bericht, der entweder direkt ausgedruckt oder in einem editierbaren Format gespeichert werden kann.

In diesem Tutorial haben Sie gelernt, wie ein Fundamentblock mit Bewehrung in IDEA StatiCa Detail eingegeben wird. Sie haben Auflagerbedingungen und Lastübertragungselemente definiert, Lasten und Kombinationen angesetzt und schließlich eine Berechnung mit normgerechten Nachweisen durchgeführt.