Beste Praxis für Deckensystemmodellierung

Steigerung zur besseren Kontrolle und das Erreichen großartigen Designs mit minimalem Aufwand.

Trapezbleche und erweiterte Konzepte von SCIA Engineer Flächen 

Wie würden Sie eine Platte modellieren, die vertikale Lasten bei Berücksichtigung der Einflussflächen in darunterliegende Träger verteilen soll, und die hohe Membransteifigkeit besitzt? Kennen Sie den einfachsten Weg in SCIA Engineer? 
Seit der SCIA Engineer Version 17.01, ermöglicht dies die neue Erweiterung der Standardplatten (2D Teile):

  • 2D Teile in starre, semi-starre und weiche Diaphragmen konvertieren,
  • Der Anwender kann wählen, wie die vertikalen Lasten auf die tragenden Bauteile verteilt werden soll 

Das Prinzip ist einfach. Wir sprechen über Lastpanelle mit einer realistischen Membranteifigkeit. 

Ein gutes Beispiel für die Verwendung der Diaphragmen ist der Entwurf von Verbunddecken. Obwohl die Verbunddecke eine erhebliche Biegesteifigkeit besitzt, präferieren die Anwender, wegen dem spezifischen Verhalten der Verbundsysteme, eine direkte Verteilung der Last auf die tragenden Stäbe. Die Last soll zwischen den Trägerachsen verteilt werden.

Die anwesende Biegesteifigkeit der Betonplatte würde solche vereinfachte Lastverteilung verhindern: Die Steifigkeiten der Platte und der Träger würden die Verteilung der Last zwischen der Platte und den Trägern bestimmen. In diesem Fall würde der Randträger nicht einmal die halbe Last des inneren Trägers bekommen auch wenn Sie die Last direkt aus den Stab ansetzten würden.  Im unterstehenden Bild sieht man eine unterschiedliche Verteilung der Biegemomente zwischen Stäben mit gleichen Abständen. 

SCIA Engineer: Bending moments in composite floor beams
Bild 1: Biegemomente in den Trägern einer Verbunddecke: (links) ist ein starres Diaphragma mittels Lasteinflusszonen; (rechts) ist die Verteilung der Last mittels finite Elemente auf einer Verbunddecke

Bedeutet es, dass die Vereinfachung mittels „Lasteinflusszonen“ ungenau ist?

Der aktuelle Zugang in den finiten Elementen Analyse ignoriert Nichtlinearitäten, wie Risse im Beton, Schlupf in den Verbindungselementen, Spalten zwischen den Stützen und Decken, und vieles mehr. Außer diese sind explizit in dem Modell definiert. Die Methode der Lasteinflusszonen, obwohl eine Vereinfachung, ist auf Jahrzentelangen Erfahrungen der Ingenieure begründet. Sie zielt auf große Anzahl der Ingenieurprobleme mit Rücksicht auf Material oder Geometrie, welcher exakte Modellierung die Aufgabe nur verkomplizieren würde.

Verkürzt kann man sagen, dass die Diaphragmen, dem Anwender, eine Aufteilung der Einwirkungen in horizontaler Richtung von den vertikalen Lasten erlauben. Es bestehen mehrere Möglichkeiten um das FE Model den verschiedenen Anforderungen anzupassen. Zum Beispiel können Sie ein weiches Diaphragma, in einer Decke aus Stahlträgern, welche die Verdrehungssteifigkeit der angeschlossenen Träger wiederspiegelt, aber welche keine Wirkung als Diaphragma ausübt. Der Typ der Schwerelasten ist nur von Ihnen abhängig, ein Lastpaneel mit FEM Methode, Lasteinflusszonen, oder einfach die vorhandene Steifigkeit der Abdeckung. 

 

Neues Typ von 2D Teilen

Standard FEM

Der Anwender kann eine gewohnten FEM Platten bei der Auswahl “Standard” Element in den Eigenschaften des 2D Teils. Der standardisierter 2D Teil leitet die biege und Membransteifigkeit von der Geometrie und dem zugehörigen Material ab. Diese Wahl ist die beste für die Analyse von Betonplatten und dünnen Decken. 

Starres Diaphragma

Ein starres Diaphragma verwendet kein FE Netz und es hat keine Biegesteifigkeit. Lasten, die lotrecht auf die Ebene des Diaphragmas wirken werden in die darunterliegende Träger auf der gleichen Weise wie beim Lastpaneel weitergeleitet. Die Membransteifigkeit ist unendlich groß weil keine Verformung in der Ebene zwischen den Knoten erlaubt ist.  
In vorherigen Versionen haben Anwender starre Bindungen zur Simulation des starren Diaphragma verwendet, zum Beispiel wurden alle Knoten einer Platte oder alle Stützen in einem Geschoss verbunden. Diese Umgehungslösung ist nicht mehr erforderlich.
Spannungen und Verformungen in einem starren Diaphragma können nicht ausgewertet werden, weil dieses keine physikalische Steifigkeit besitzt. Deswegen sind starren Diaphragmen zur Modellierung und Analyse von Verbunddecken verwendet. Für diese erfolgt die Dimensionierung der Platten gewöhnlich auf Basis von Herstellerblättern durchgeführt wird, wo die Trapezbleche auf Grund der Deckendicke und der auftretenden Lasten gewählt wird.

Semi starre Diaphragmen

Ein semistarres Diaphragma ist eine Mischung au seiner Standard FEM Platte und einem Lastpaneel. Die bestehende Membransteifigkeit des 2D Teils wird in der Analyse verwendet, aber die Biegesteifigkeit wird nicht verwendet. Die vertikalen Lasten werden wie beim Lastpaneel übertragen.
Dieser Typ von 2D Teilen wird für Verbunddecken verwendet, falls sich der Anwender nicht über die Membransteifigkeit nicht sicher ist. Im Falle von großen Öffnungen bleiben um diese Öffnung herum schmale Streifen der Decke und die Membransteifigkeit ist hier reduziert. In solchen Fällen kann die aktuale Membransteifigkeit der Platte verwendet werden und die Verformungen in der Ebene können ausgewertet werden
 

Weiche Diaphragmen

Weiche Diaphragmen sind am besten zur Analyse von Stahldecken aus Trapezblechen geeignet. Die Wirkung des Diaphragmas wird hier unterdrückt. Das geschieht durch die Entfernung der Membranschubsteifigkeit des 2D Teils. Die lotrechten Lasten werden auf die tragenden Träger ähnlich wie bei den Lasteinflussflächen weitergeleitet, unabhängig von der Steifigkeit der Stützen und der Wände. Die Gravitationslasten werden wie bei Lastpaneelen verteilt.
Die weichen Diaphragmen sind am besten für Gebäuden in Verbundbauweise, wo der Beton nicht gegossen ist, oder Decken in Industriegebäuden aus Stahl, wo die Decken aus Trapezblechen oder ähnlichen Bauteilen konstruiert sind.

 

Vergleich verschiedener Typen von Diaphragmen

Dieser Abschnitt zeigt ein Vergleichsbeispiel einer Verbunddecke mit verschiedenen Typen von Diaphragmen.
Bei der Konstruktion handelt es sich um eine Zweifeld-Verbunddecke unterstützt durch 6 Stützen. Eine konzentrierte horizontale Last mit kleiner Exzentrizität wirkt entlang des Randbalkens, in der Nähe der Mittelstütze. Das erste Model verwendet ein starres, das zweite ein semi-starres und das dritte ein weiches Diaphragma. Die Bilder der Verformungen sind in Draufsicht dargestellt. Um das spezifische Verhalten jedes Diaphragma-typs wurden die Verformungen unabhängig voneinander für jedes Bild skaliert.

Starres Diaphragma

SCIA Engineer: Rigid diaphragm

Starres Diaphragma ist in der Ebene unendlich starr. Es ist sichtbar, dass die exzentrische Lasten dieses Diaphragma als ein starrer rechteckiger Körper rotieren lassen. Die Verformungen der Decke werden nur durch die Verformung der Stützen verursacht.

Semi-Starres Diaphragma

Semi-rigid diaphragm

Semi-starres Diaphragma verwendet für die Analyse die reale Membransteifigkeit der Decke. In diesem Fall verformt sich die Platte teilweise durch die Nachgiebigkeit der Platte und teilweise durch die weichen Stützen. Die Anfangsform der Decke wird nicht behalten (leichte Krümmung in der Ebene) und eine kleine Ausbuchtung ist auf der Stelle der Lastwirkung sichtbar.

Weiches Diaphragma

SCIA Engineer: Flexible diaphragm

Ein weiches Diaphragma hat keine Membransteifigkeit. Deswegen kann es nicht als starres Körper wirken. Die Verformungen bilden sich nur auf Grund der Steifigkeit der Stäbe, welche, in diesem Fall, viel weicher sind als die Stützen. Die Decke ist durch die Last komplett verformt.

 

Schlussfolgerung

Das neu, in SCIA Engineer 17, eingeführte Konzept von 2D Teilen erlaubt Ihnen eine bessere Kontrolle des Verhalten der Deckensysteme. Sie können mit einem minimalen Aufwand die beste Konfiguration, welche zum optimalen Entwurf führt, wählen.

Mehr Informationen erhalten Sie in SCIA Engineer Online Hilfe: 2D Member Element Types & Behaviors

Referenz: 
ESA1117
Software: 
Kategorie: 
Tips and Tricks
Typ: 
Free User