Das Unmögliche möglich machen, insbesondere bei der Verankerung Das Unmögliche möglich machen, insbesondere bei der Verankerung

One could say, "Just design what the standard explicitly allows us." But let’s do a reality check: that’s simply not how it works, whether for the tight spaces or technical and architectural requirements. And so, anchoring that could be considered "on edge" (figuratively) – or better said, specific types of anchoring – can be seen all around us. Many cases are precisely calculated and verified with more advanced methods (even if it may have taken an excessively long time). However, many cases have probably not been assessed as thoroughly as they deserve.

IDEA StatiCa has been changing and pushing forward the design of steel connections, steel and concrete members, and concrete details for some time now. It's not about simplification of the workflow through computerized calculation, it's mainly about the innovative methods that allow us to design the previously unthinkable. Our latest achievement, the release of IDEA StatiCa Detail for 3D, again extends the design possibilities further than before.

Whether you belong to the group that struggles with anchoring designs for days or relies solely on experience but then doesn't sleep soundly, read on.

Doors to new possibilities

If you are involved in anchoring structures, you can probably think of several cases that have given you a hard time. Here are a few examples that we have recently identified as very difficult to design using only standard practices. But, with the help of our tools IDEA Statica Connection and Detail, it is becoming possible to design in a relatively reasonable amount of time.

Figure 1: Multiple anchoring into one concrete block

• Anchoring near the edge – Anchoring close to the edge is almost impossible to design without reinforcement due to the way concrete fails (cone failure and others). Assessing anchoring in reinforced concrete is labor-intensive on its own – see this article for more details: You no longer have to struggle with anchoring design. However, Detail (3D mode) is specifically designed for such cases – reinforced concrete. By adding reinforcement, we can prevent failure modes that would otherwise occur in plain concrete. At the same time, using an advanced FE method (3D CSFM) and implementing it in Detail makes a very complex task relatively simple.

Figure 2: Examples of anchoring near to an edge in Connection (including steel members) and in Detail (including reinforcement)

• Multiple anchoring close together – The problem that we have with close anchoring is that the cones interact with each other. No guide can directly advise us on how to assess these cases. In the commonly used literature, whether EN or fib guide, we find more or less only conditions and limitations that we can conservatively consider. They simply advise us to use distances that allow us to assess cones individually. But as soon as we don't fit into these conditions, we're doomed. However, in Detail, since we have an advanced FE-based method, we can analyze the complex behavior.

Figure 3: Multiple anchoring into one the wall

• Multiple anchoring in general (bridge support on a common foundation) – A typical situation caused by wind load, where one column of a truss support is loaded by tension and the other by compression. There is a mutual interaction between the concrete cone from the group of tension anchors and the compressive loading from the other column. For such a case, Eurocode does not offer a satisfactory analytical solution, not only because it is inherently necessary to reinforce the concrete foundation, so more advanced analysis such as Detail and its 3D CSFM must be used.

Figure 4: Anchoring of a pipe bridge, designed by FEVIA s.r.o

• Consideration of existing reinforcement in renovations – Any renovations or extensions may be another interesting example of the use of anchoring in Detail, as, ideally, the existing reinforcement is included.

Problems that arise

To sum it up:

Eurocode specifies failure modes for both tension and shear for anchors and concrete:

Figure 5: Scheme of failure modes – Design of Steel-to-Concrete Joints Design Manual II

EN 1992-4 is specifically dedicated to the detailed assessment of plain concrete. Most of these concrete failures can be prevented by adding reinforcement, which is even necessary in some cases (see examples above). However, the standard no longer gives us clear guidance on how to deal with this.

Another problem arises when concrete cones interact with each other – Eurocode and other literature (fib bulletin 58) only give conditions for when and how these cones can be checked separately.

Figure 6: CEB-FIB: Bulletin 58 – Design of anchorages in concrete (2011), chap. 1.2

We know the issues that can occur during the design, but what to do about it? Give up or...

...find a solution.

The solution 

Detail can solve the cases above very efficiently. It allows the assessment of the influence of reinforcement on the load capacity and also allows the assessment of the cases not covered by the standard. In combination with Connection, it is then possible to obtain comprehensive standard code checks for all types of failures.

Much has already been written about both applications, but it certainly doesn't hurt to add a brief comparison and a few resources for a deeper understanding of the methods:

• IDEA StatiCa Connection – focused on assessing steel connections, including anchoring in concrete. The anchors are assessed according to empirical formulas in accordance with the standard. The concrete block is modeled using the "Winkler" scheme, so the possible assessment is for plain concrete only.
• IDEA StatiCa Detail – The model in Detail is from the final elements, including the reinforcement. Due to the basic assumption that all the tension is transferred by the reinforcement (in concrete, the tension is neglected), the solution is only suitable for reinforced concrete. Using 3D CSFM, we obtain the stresses of concrete and reinforcement/anchors, which are evaluated with limit values from Eurocode. In addition, we get a realistic idea of the behavior of the structure, such as stress flows and deformations. The 3D CSFM method included the effects of tri-axial stress.

Figure 4: Comparison between Connection and Detail (input and models)

As said, a combination of both is needed for a complete assessment. For efficient work, an import from Connection to Detail is enabled, including additional parameters and loads.

To understand the method, you can proceed to the Theoretical Background. To catch up with functionalities, go to the Release Notes.

What are you going to do?

3D Detail (with CSFM) represents a significant step forward, enabling the design of more complex cases with confidence. While some may feel apprehensive about this progression, the technologies at our disposal allow us to achieve more than ever before – so why not embrace their potential? Progress is both natural and inevitable.

At IDEA StatiCa, we see anchoring as just the beginning. It’s the first case we’ve fully verified, and we’re committed to expanding our focus to other challenges in the future.

The question is: Will you adapt to these advancements, or will you resist change?

Man könnte sagen: "Wir entwerfen einfach das, was uns die Norm ausdrücklich erlaubt." Aber machen wir einen Realitätscheck: So geht es einfach nicht, weder bei den engen Platzverhältnissen noch bei den technischen und architektonischen Anforderungen. Und so sind überall Verankerungen zu sehen, die im übertragenen Sinne "auf der Kippe" stehen - oder besser gesagt, bestimmte Arten von Verankerungen. Viele Fälle sind genau berechnet und mit fortschrittlicheren Methoden überprüft worden (auch wenn dies übermäßig lange gedauert hat). Viele Fälle sind jedoch wahrscheinlich nicht so gründlich geprüft worden, wie sie es verdient hätten.

IDEA StatiCa hat die Bemessung von Stahlverbindungen, Stahl- und Betonbauteilen und Betondetails schon seit einiger Zeit verändert und vorangetrieben. Dabei geht es nicht um die Vereinfachung der Arbeitsabläufe durch computergestützte Berechnungen, sondern vor allem um die innovativen Methoden, die es uns ermöglichen, das bisher Undenkbare zu entwerfen. Unsere neueste Errungenschaft, die Veröffentlichung von IDEA StatiCa Detail for 3D, erweitert die Entwurfsmöglichkeiten noch weiter als bisher.

Ob Sie nun zu der Gruppe gehören, die sich tagelang mit der Verankerung von Entwürfen abmüht oder sich allein auf die Erfahrung verlässt, dann aber nicht ruhig schlafen kann, lesen Sie weiter.

Türen zu neuen Möglichkeiten

Wenn Sie sich mit Verankerungskonstruktionen beschäftigen, fallen Ihnen wahrscheinlich mehrere Fälle ein, die Ihnen das Leben schwer gemacht haben. Hier sind einige Beispiele, die wir in letzter Zeit als sehr schwer zu entwerfen identifiziert haben, wenn man nur Standardverfahren anwendet. Aber mit Hilfe unserer Werkzeuge IDEA Statica Connection und Detail wird es möglich, in relativ kurzer Zeit zu entwerfen.

Abbildung 1: Mehrfache Verankerung in einem Betonblock

• Verankerung in der Nähe des Randes - Eine Verankerung in der Nähe des Randes ist aufgrund des Versagens von Beton (Kegelversagen und andere) ohne Bewehrung fast unmöglich zu bemessen. Die Bemessung von Verankerungen in Stahlbeton ist an sich schon arbeitsintensiv - mehr dazu in diesem Artikel: Sie müssen sich nicht mehr mit der Verankerungsbemessung herumschlagen. Detail (3D-Modus) ist jedoch speziell für solche Fälle konzipiert - Stahlbeton. Durch das Hinzufügen von Bewehrung können wir Versagensarten verhindern, die sonst bei Normalbeton auftreten würden. Gleichzeitig macht die Verwendung einer fortschrittlichen FE-Methode (3D CSFM) und deren Implementierung in Detail eine sehr komplexe Aufgabe relativ einfach.

Abbildung 2: Beispiele für die Verankerung in der Nähe eines Randes in Connection (einschließlich Stahlteile) und in Detail (einschließlich Bewehrung)

• Mehrere Verankerungen dicht beieinander - Das Problem, das wir bei engen Verankerungen haben, ist, dass die Kegel miteinander interagieren. Kein Leitfaden kann uns direkt beraten, wie diese Fälle zu beurteilen sind. In der gängigen Literatur, sei es EN oder fib guide, finden wir mehr oder weniger nur Bedingungen und Einschränkungen, die wir konservativ berücksichtigen können. Sie raten uns einfach, Abstände zu verwenden, die es uns ermöglichen, die Kegel individuell zu beurteilen. Aber sobald wir diese Bedingungen nicht einhalten, sind wir aufgeschmissen. Im Detail können wir jedoch, da wir eine fortschrittliche FE-basierte Methode haben, das komplexe Verhalten analysieren.

Abbildung 3: Mehrere Verankerungen in einer Wand

• Mehrfachverankerung im Allgemeinen (Brückenauflager auf einem gemeinsamen Fundament) - Eine typische Situation, die durch Windlast verursacht wird, bei der eine Säule eines Fachwerkträgers durch Zug und die andere durch Druck belastet wird. Es besteht eine gegenseitige Wechselwirkung zwischen dem Betonkonus aus der Gruppe der Zuganker und der Druckbelastung aus der anderen Stütze. Für einen solchen Fall bietet der Eurocode keine zufriedenstellende analytische Lösung, nicht nur, weil eine Verstärkung des Betonfundaments erforderlich ist. Daher müssen fortschrittlichere Analysen wie Detail und dessen 3D CSFM verwendet werden.

Abbildung 4: Verankerung einer Rohrbrücke, entworfen von FEVIA s.r.o.

• Berücksichtigung der vorhandenen Bewehrung bei Sanierungen - Ein weiteres interessantes Beispiel für die Verwendung von Verankerungen in Detail sind Sanierungen oder Erweiterungen, bei denen im Idealfall die vorhandene Bewehrung mit einbezogen wird.

Auftretende Probleme

Zusammengefasst:

Eurocode spezifiziert Versagensarten für Zug und Scherung für Anker und Beton:

Abbildung 5: Schema der Versagensarten - Design of Steel-to-Concrete Joints Design Manual II

EN 1992-4 ist speziell der detaillierten Beurteilung von Normalbeton gewidmet. Die meisten dieser Betonversagen können durch zusätzliche Bewehrung verhindert werden, was in einigen Fällen sogar notwendig ist (siehe Beispiele oben). Die Norm gibt uns jedoch keine klare Anleitung mehr, wie dies zu bewerkstelligen ist.

Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn Betonkegel miteinander interagieren - Eurocode und andere Literatur(fib bulletin 58) geben nur Bedingungen dafür an, wann und wie diese Kegel separat überprüft werden können.

Abbildung 6: CEB-FIB: Bulletin 58 - Bemessung von Verankerungen in Beton (2011), Kap. 1.2

Wir kennen die Probleme, die bei der Bemessung auftreten können, aber was kann man dagegen tun? Aufgeben oder...

...eine Lösung finden.

Die Lösung

Detail kann die oben genannten Fälle sehr effizient lösen. Sie ermöglicht die Beurteilung des Einflusses der Bewehrung auf die Tragfähigkeit und erlaubt auch die Beurteilung von Fällen, die nicht von der Norm abgedeckt werden. In Kombination mit Connection ist es dann möglich, umfassende Normnachweise für alle Arten von Fehlern zu erhalten.

Über beide Anwendungen ist bereits viel geschrieben worden, aber es schadet sicher nicht, einen kurzen Vergleich und einige Ressourcen für ein tieferes Verständnis der Methoden hinzuzufügen:

• IDEA StatiCa Connection - konzentriert sich auf die Bewertung von Stahlverbindungen, einschließlich Verankerungen in Beton. Die Verankerungen werden nach empirischen Formeln in Übereinstimmung mit der Norm bewertet. Der Betonblock wird nach dem"Winkler"-Schema modelliert, so dass die mögliche Bemessung nur für einfachen Beton gilt.
• IDEA StatiCa Detail - Das Modell in Detail besteht aus den endgültigen Elementen, einschließlich der Bewehrung. Aufgrund der Grundannahme, dass die gesamte Spannung durch die Bewehrung übertragen wird (in Beton wird die Spannung vernachlässigt), ist die Lösung nur für Stahlbeton geeignet. Mit 3D CSFM erhalten wir die Spannungen von Beton und Bewehrung/Verankerung, die mit Grenzwerten aus dem Eurocode bewertet werden. Darüber hinaus erhalten wir eine realistische Vorstellung vom Verhalten der Struktur, wie Spannungsflüsse und Verformungen. Bei der 3D-CSFM-Methode wurden die Auswirkungen der triaxialen Spannungen berücksichtigt.

Abbildung 4: Vergleich zwischen Verbindung und Detail (Eingabe und Modelle)

Wie bereits erwähnt, ist für eine vollständige Bewertung eine Kombination aus beiden Verfahren erforderlich. Um effizient arbeiten zu können, ist ein Import von Connection zu Detail möglich, einschließlich zusätzlicher Parameter und Lasten.

Um die Methode zu verstehen, können Sie mit dem Theoretischen Hintergrund fortfahren . Um sich über die Funktionalitäten zu informieren, gehen Sie zu den Release Notes.

Was werden Sie jetzt tun?

3D Detail (mit CSFM) stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn dar und ermöglicht die sichere Konstruktion komplexerer Fälle. Auch wenn einige diesen Fortschritt mit Sorge betrachten, können wir mit den uns zur Verfügung stehenden Technologien mehr erreichen als je zuvor - warum sollten wir also nicht ihr Potenzial ausschöpfen? Der Fortschritt ist sowohl natürlich als auch unvermeidlich.

Bei IDEA StatiCa sehen wir die Verankerung erst am Anfang. Es ist der erste Fall, den wir vollständig verifiziert haben, und wir sind entschlossen, unseren Fokus in Zukunft auf andere Herausforderungen auszuweiten.

Die Frage ist: Werden Sie sich diesen Fortschritten anpassen oder werden Sie sich dem Wandel widersetzen?