Einführung
Zu Beginn dieses Textes wollen wir definieren, wofür die Anwendung gedacht ist. In der aktuellen Version haben wir Werkzeuge entwickelt und die Lösung ausschließlich für die Verankerung von Stahlkonstruktionen in einfachen Stahlbetonblöcken verifiziert.
Der folgende Text ist in zwei Teile gegliedert: Einschränkungen der Anwendung und der Methode selbst sowie Einschränkungen des Imports aus IDEA StatiCa Connection.
Einschränkungen der Anwendung
Stahlbeton
Das 3D-CSFM ist nicht für unbewehrten Beton oder schwach bewehrten Beton ausgelegt. In diesem Fall kann das Berechnungsergebnis zu irreführenden Ergebnissen oder zur Divergenz der nichtlinearen Berechnung führen.
Mehr dazu erfahren Sie im Abschnitt Theoretischer Hintergrund.
Der Hauptgrund, warum in der Anwendung nur Stahlbetonelemente modelliert werden müssen, liegt darin, dass die Zugfestigkeit von Beton vernachlässigbar ist. Alle Zugspannungen müssen daher durch die Bewehrung aufgenommen werden.
Der zweite Grund ist: In IDEA StatiCa Detail 3D wird keine Bruchmechanik verwendet. Das Modell simuliert keine explizite Rissausbreitung und verwendet auch keine bruchmechanischen Parameter des Betons (G_f, K_IC, Form der Bruchfläche). Beton wird als duktiles Material mit einem horizontalen plastischen Ast im Druckbereich modelliert – sobald die Grenzdruckspannung erreicht ist, bleibt die Spannung konstant, und nur die Dehnungen nehmen bis zu einem vorgegebenen Grenzwert weiter zu. Infolgedessen kann Detail 3D die plastische Umlagerung von Spannungen und Dehnungen in D-Bereichen erfassen, bildet jedoch keine sprödbrüchigen Versagensmechanismen ab, die durch Bruchmechanik gesteuert werden (z. B. reines Schubversagen von unbewehrtem Beton, instabile Ausbreitung eines einzelnen dominanten Risses usw.).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ihre Modelle der Definition von Stahlbeton entsprechen müssen, wie sie in internationalen Normen dargestellt wird. Befolgen Sie die Bewehrungsregeln und Sie erhalten korrekte Ergebnisse.
Grenzzustand der Tragfähigkeit
Alle Berechnungen und Normnachweise sind ausschließlich für den GZT implementiert. Die Definition der Materialien sowie die Art der Berechnung selbst müssen für den GZG unterschiedlich sein. Diesen Unterschied können Sie in Detail 2D erkennen.
Druckerweichung
Definieren wir zunächst, was Druckerweichung ist: Beton unter Druck verliert an Festigkeit und Steifigkeit, wenn er gleichzeitig stark auf Zug gerissen ist, d. h. wenn große transversale Zugdehnungen vorhanden sind.
In Fällen, in denen die Tragfähigkeit durch eine Druckstrebe (Druckdiagonale) bestimmt wird, die durch stark gerissenen Beton verläuft, neigt Detail 3D dazu, die Tragfähigkeit zu überschätzen (d. h. leicht unkonservativ zu sein), wenn das Ergebnis direkt als tatsächliche Grenztragfähigkeit interpretiert wird.
Aus diesen Gründen eignet sich das 3D-Modul nur zur Überprüfung der Festigkeit von Verankerungen in einfachen Stahlbetonblöcken.
Obwohl es möglich ist, beispielsweise einen Pfahlkopf mit Auflagern auf einer kleinen Fläche zu modellieren, ist die Überprüfung nicht zuverlässig, da der Versteifungseffekt insbesondere bei durchstanzbezogenen Problemen erheblich wird. Die gleiche Situation kann bei einer dünnen Platte mit einer darauf platzierten Stütze sowie in anderen ähnlichen Fällen auftreten.
Für diese Situationen ist es notwendig, die Betonerweichung zu implementieren, die derzeit nur im 2D-Modul verfügbar ist. Daher kann das 3D-Modul nur zur Prüfung von Versagensfällen verwendet werden, bei denen dieser Effekt keinen Einfluss hat.
Ankernachweis
Das Element des Ankers ist so definiert, dass es normale Zug- oder Druckkräfte sowie Querkräfte übertragen kann, wobei auch die Biegesteifigkeit berücksichtigt wird, wie im Theoretischer Hintergrund beschrieben.
Wir unterstützen normbasierte Nachweise gemäß den relevanten Normen (nur EN), daher kann IDEA StatiCa Detail unabhängig für die Ankerbewertung (Anker, Bewehrung, Beton) verwendet werden.
Implementierte Normen: EN 1992-4, EN 1993-1-8, EN 1994-1-1
Zur Überprüfung anderer Anschlusskomponenten (Schweißnähte, Bleche usw.) müssen Sie IDEA StatiCa Connection verwenden, wo Sie auch den vollständigen Ankernachweis für unbewehrten Beton durchführen können. Die Verankerung in Connection kann – zusammen mit den einwirkenden Kräften – nach Detail für die zusätzliche Bemessung der Bewehrung exportiert werden.
Für die ACI- und die australische Norm sind die Normnachweise von Ankern unter Querkraft sowie unter kombinierter Quer- und Zugbeanspruchung noch nicht implementiert, daher ist es stets notwendig, beide Anwendungen für umfassende Normnachweise von Ankern zu verwenden.
Umkippen
Wenn die Lasteingabe zum Umkippen des Modells führt, rechnet das Modell bis zur Divergenz oder bis ein Kriterium erreicht wird. Dies dauert in der Regel sehr lange, und Sie erhalten das folgende Ergebnis:
Der Prozentsatz der übertragenen Last wird angezeigt. Darüber hinaus wird in den Zusatzergebnissen eine extreme Verformung dargestellt.
Workaround: Es wird empfohlen, jedes Modell zunächst mit einem hohen Wert (4–5) für den Multiplikator der Standard-Netzgröße zu berechnen. Dieser Multiplikator befindet sich unter Einstellungen -> Netzeinstellungen. Die Berechnung erfolgt schnell, und Sie können erkennen, ob das Umkippen ein Problem darstellt oder nicht.
Es muss überprüft werden, ob das Eigengewicht des Betonblocks berücksichtigt wird, da dieses das Umkippen des Modells verhindern kann. Beachten Sie, dass beim Import aus der Connection-Anwendung das Eigengewicht nicht automatisch in das Modell eingegeben wird — Details dazu finden Sie im folgenden Text.
Einschränkungen des Imports aus Connection
Kontakte
Generell wird der Import von Kräften, die über einen Kontakt mit einem anderen Stahlblech auf die Fußplatte einwirken, nicht unterstützt. Dies gilt sowohl für Kanten-Flächen-Kontakte als auch für Flächen-Flächen-Kontakte. Mehr dazu erfahren Sie in diesem Artikel.
Verankerung über Bauteil
Nur Modelle, die über die Fußplatte verankert sind, können korrekt in die Detail-Anwendung importiert werden. Bei Modellen, bei denen Bauteile direkt mit Betonblöcken verbunden sind, wird die Anschlussplatte des Bauteils mit Ankern ohne Lasten importiert.
Eigengewicht wird nicht automatisch hinzugefügt
Das Eigengewicht wird nicht automatisch berechnet/hinzugefügt. Es muss manuell in das Projekt für Detail eingegeben werden. Dies kann sich vor allem auf die Überprüfung der Verankerung an Fundamenten auswirken, da das Nichtberücksichtigen des Eigengewichts – wie im obigen Absatz erwähnt – zum Umkippen des Fundaments führen könnte.
Nicht unterstützte Ankertypen für den Export
Hakenanker werden in Detail nicht unterstützt. Stattdessen wird in der exportierten Datei eine Unterlegplatte verwendet.
Die Unterlegplatte wird als Platten-Schalen-Element modelliert, das direkt am Ankerschaft befestigt ist und die Last ausschließlich über Druckkontakt auf den Beton überträgt. Die Platte selbst wird linear modelliert, ohne Plastizität, und wird keinem Tragfähigkeitsnachweis unterzogen. Da der Schaft eine Verbundfestigkeit von null aufweist, wird die gesamte Last über die Unterlegplatte auf den Beton übertragen. Mehr über Ankertypen finden Sie im Artikel: Definition eines Einzelankers.
Nicht unterstützte Kombinationen von Ankertypen
Die Detail-Anwendung unterstützt keine Kombination von Kopfbolzen oder Bewehrung mit anderen Ankertypen. Diese Ankertypen werden nicht in die Ausgabe übernommen. Mehr über Plattenoptionen finden Sie im Artikel: Optionen für Verankerungsplatten.
Kombination von importierten und benutzerdefinierten Lasten
Importierte Lasten und benutzerdefinierte Lasten können nicht innerhalb eines Modells kombiniert werden. Aus den im Theoretischer Hintergrund beschriebenen Gründen werden Anker getrennt von den Fußplatten importiert. Wenn Sie einen benutzerdefinierten Lastfall erstellen, ist offensichtlich, dass die Last nicht korrekt übertragen wird.
Workaround: Kopieren Sie das importierte Projektelement, löschen Sie alle importierten Lasten, verbinden Sie alle Anker mit der Fußplatte, und geben Sie anschließend Ihren benutzerdefinierten Lastfall ein.
Mehrere Betonblöcke
In Detail wird nur ein Betonblock unterstützt. Der Betonblock kann jedoch mithilfe von Negativvolumen, Schnittebene und der Schnittoperation modifiziert werden. So ist es möglich, komplexere Formen zu modellieren, wie z. B. Sockel, Fundamentstreifenerweiterungen, Verankerungen neben Öffnungen usw.
Es ist auch möglich, zwei unabhängige Betonblöcke aus Connection zu importieren, die als zwei Modellentitäten in Detail importiert werden und mit der Schnittoperation weiter modifiziert werden können.
Mehr als eine Fußplatte in einem Block
Der Export mehrerer Fußplatten in einem Block wird unterstützt, obwohl der Import der sogenannten Randverankerung nicht empfohlen wird.
In der Connection-Anwendung wird der Beton vereinfacht mittels der Winklerschen Bettung modelliert. Das Modell des Stahlteils oberhalb des Betonblocks hingegen wird detailliert modelliert, einschließlich der Plastizität der Materialien. Für eine detailliertere Überprüfung des Stahlbetons unter der Fußplatte ist es möglich, die Fußplatte, die Anker und die Lasten in die Detail-Anwendung zu exportieren. Dort wird der Beton plastisch modelliert.
Die Anker werden axial getrennt exportiert, und die Last zwischen ihnen wird durch ein Paar gleich großer, aber entgegengesetzter Kräfte ersetzt (genau aufgrund der fehlenden Steifigkeit des Stahlteils oberhalb der Fußplatte). Daher ist es nicht möglich, dass sich die Axialkräfte in den Ankern ändern, wenn die Deckschicht in der Ecke des Betonblocks plastisch wird. Ebenso werden die Schweißnähte der Fußplatten getrennt exportiert, wobei die Verbindung durch gleich große, aber entgegengesetzte Kräfte ersetzt wird. Daher kann sich die Spannung in der Schweißnaht bei einer Plastizierung der Betonecke nicht ändern.
Daraus folgt, dass nach dem Export zwar alle auf die Fußplatten einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht stehen, die Verformungsbedingungen jedoch nicht erfüllt werden.
Dies gilt für die aktuelle Version 25.1.2. Sie kann sich von früheren Versionen unterscheiden, da wir schrittweise daran arbeiten, diese Einschränkungen zu beseitigen. Weitere Informationen zu den einzelnen Versionen finden Sie in den Release Notes.