Strebenverbindungen und IDEA StatiCa 

Dies ist der Folgeartikel zu dem von meinem Kollegen – Ralph Pullinger – über Traversen. Zunächst stellt sich die entscheidende Frage: Was ist der Unterschied zwischen Zug-, Druckstreben und Traversen ? Wie Sie sich vorstellen können, gibt es bei diesen Themen eine kleine Überschneidung. 

Im Wesentlichen ist eine Verstrebung ein einzelnes Element, das etwas stützt, stärkt oder verstärkt, während ein Fachwerk normalerweise ein ganzer Teil der Struktur ist und aus vielen Elementen besteht. Mit anderen Worten, eine Verstrebung kann ein Teil einer Fachwerkkonstruktion sein. Natürlich sind bei einigen Fachwerksystemen zwangsläufig Verstrebungen erforderlich, um sie vollständig zu machen - insbesondere im Wohnungsbau. Sogar Elemente innerhalb einiger Fachwerke dienen als Verstrebungen.

Aber wo sind sie zu finden, und wird das Aussteifungssystem nur bei Stahlkonstruktionen verwendet? Ganz und gar nicht. In der Regel findet man sie sowohl in Stahl- als auch in Holzrahmenbauten. In Betonrahmen sind sie seltener zu finden, es sei denn, es gibt besondere Gründe, wie z. B. eine Umrüstung oder Verstärkung.

Verstrebungssysteme, die in Stahlkonstruktionen verwendet werden

In Stahlbausystemen wird eine Strebe normalerweise so definiert, dass sie nur axiale Lasten aufnimmt (entweder Druck oder Zug). Würde eine Strebe ein Moment aufnehmen, würde dies bedeuten, dass sie als Balken oder Stütze definiert werden sollte. Verstrebungen sind nicht auf die horizontale oder vertikale Achse beschränkt. Sie werden auch in geneigten Ebenen (z. B. in einer Dachebene) verwendet. Verstrebungen dienen immer der Übertragung von Kräften. Sie dienen in erster Linie dazu, horizontale Lasten, z. B. Wind, auf einen Stützmechanismus - in der Regel das Fundament - zu übertragen.

Verstrebungen können in Form von Seilen, Bändern, Winkeln, Stäben, Hohlprofilen und sogar I-Profilen ausgeführt werden. Traditionell wurden sie immer versteckt angebracht, aber es gibt auch einige Beispiele, bei denen sie sichtbar sind und hervorgehoben werden.

Ein schönes Beispiel für eine architektonische und bautechnische Symbiose, bei der die Aussteifungen und ihre Anschlussdetails an der Fassade sichtbar werden, findet sich in Spanien an dem Gebäude, das heute als Hotel Arts Barcelona bekannt ist. Hier sind die Stahlbauanschlüsse fast zum Greifen nah und können von den Hotelgästen beobachtet werden. Sehen Sie in einem unserer Webinare, wie wir diese Aussteifungsberechnung durchgeführt haben.

In den alten Zeiten von 2D (sowohl analog als auch digital) und aufgrund der Ebene, in der sie sich bewegen, wurden Verstrebungen häufig vergessen, bis sie (unbeabsichtigt) vor einem Fenster landeten oder den Zugang zu einer Tür blockierten. Wie viele erinnern sich an diese Situationen?

Mit dem Aufkommen von BIM sind diese Koordinationsprobleme nun (hoffentlich) verschwunden. Die Einführung der FEM hat auch zu einem effizienteren Materialeinsatz geführt, und genauere Analysemethoden ermöglichen es den Ingenieuren, Aussteifungssysteme dort zu platzieren, wo sie am besten funktionieren.

In seiner einfachsten Form ist eine Verstrebung ein Element, das von einem Punkt zu einem anderen führt. Es kann sich um eine einzelne Strebe handeln oder Teil eines größeren Systems von Verstrebungen sein, die ein Muster bilden. Natürlich gibt es eine ganze Reihe von Aussteifungssystemen, die in Bauwerken verwendet werden, von den typischen X-Aussteifungen bis hin zu fortschrittlichen Systemen, die architektonische Anforderungen berücksichtigen.

Die Ausbildung und Erfahrung eines Ingenieurs wird ihn in der Regel bei der Suche nach geeigneten Positionen und Formen der Aussteifung leiten. Dies kann durch eine Analyse weiter verfeinert werden. Bei dieser Analyse werden zusätzliche Effekte, wie z. B. Exzentrizitäten, als vernachlässigbar angenommen. Wie ich immer sage - ein Ingenieur hält die Dinge gerne einfach.

In der globalen Strukturanalyse (2D- oder 3D-Rahmen) sehen Sie Balken, Stützen und Verstrebungen, die alle an einem Knotenpunkt zusammenlaufen. In der Realität kann dies nicht der Fall sein, da es immer eine gewisse Exzentrizität gibt. Dies kann auch in FEM und BIM modelliert werden, so dass diese Effekte berücksichtigt werden - in der Regel genügt ein kleiner Schubs nach oben/unten oder links/rechts.

Lesen Sie mehr im Blog von Jan Kubicek über strukturelle Exzentrizitäten und ihre Probleme - Was, wenn es nicht in die richtigr Richtung geht?

Arten von Verbandsverbindungen in Stahlkonstruktionen

Jetzt haben wir eine Reihe von Streben, die die Konstruktionslast aufnehmen können – wie verbinden wir sie mit der Hauptstruktur? Hier kommt die Kunst der Detailer und ihr Wissen ins Spiel. Wo liegen hier die Grenzen? Einfach gesagt, wie viele Arten von Verbindungen in Stahlkonstruktionen hat der Detailer in seinem Hippocampus gespeichert, natürlich seine Kreativität, aber auch die Grenzen der verwendeten Softwaretools?

Es gibt viele Beispiele für typische Anordnungen, die diese Aufgabe erfüllen. Die meisten heben sich nicht von der Masse ab, aber einige schon. Das folgende Beispiel stammt aus der Fallstudie und dem Webinar Fassadenverbindungen im Midland Metropolitan Hospital.

Der Bauherr wollte aus dem Aussteifungssystem ein Feature machen und nutzte IDEA StatiCa, um eine funktionale und ansprechende Verbindung zu schaffen .

Dies wäre ein großartiges Beispiel dafür, wie IDEA StatiCa sowohl ein geometrisches Modell (BIM) von beispielsweise Tekla Structures verwenden könnte , um die Stabpositionierung und Formen der verschiedenen Platten zusammen mit der Verwendung der Lasteffekte über FEM von beispielsweise SCIA Engineer (anderes BIM und FEM-Lösungen sind verfügbar 😊).

Details von Strebenanschlüssen in IDEA StatiCa

Die Anwendung für Verbindungsentwurf und -nachweis IDEA StatiCa Connection ist natürlich in der Lage, jede Art von Geometrie und Belastung zu liefern, beginnend mit einfachen Verbindungen wie dem typischen V-Verbandssystem. Die Stärken von IDEA StatiCa Connection im Vergleich zu z.B. Excel-Tabellen sind die schnelle Generierung der Detailform, die Möglichkeit der schnellen Optimierung, die volle visuelle Kontrolle und nicht zuletzt die Knickanalyse!

Lesen Sie mehr über das Beulen nicht nur von Verbänden in dem Artikel Beulen braucht kritisches Denken von der Autorin Jana Kaderova.

Neben den Standard-Verbindungen hat sich unsere App auch bei Verbindungen auf Boss-Ebene bewährt. Hier kommt es zu dem Spiel, bei dem der Architekt seine süßen Träume wahr werden lässt und der Statiker einen Alptraum erleidet. Solche Zentralringe aus X-Verbänden werden in vielen Varianten verwendet, von standardisierten, gefertigten und geprüften bis hin zu absolut kundenspezifischen, die vollständig analysiert und nachweislich geprüft werden müssen.

Unter der Rubrik Streben sehen wir auch einen der häufigsten Gründe für Meldungen an unseren Helpdesk. Die obigen Beispiele zeigen ebenfalls eine einzige Schraubenverbindung zwischen der Strebe und der Struktur. Als solcher kann dieser Stab kein Moment aufnehmen, sondern nur eine Normalkraft und Querkräfte.

In der Stahlbau Verbindung Software IDEA StatiCa Connection, muss der Parameter des Aussteifungselements namens Modelltyp von der Standardeinstellung N-Vy-Vz-Mx-My-Mz auf N-Vy-Vz (keine Momente) geändert werden. Andernfalls kommt es zu einer Singularität aufgrund des um die Schraube gebildeten Mechanismus..

Sehr verifizierte Lösung

Vor ein paar Tagen löste ich im Rahmen meiner Helpdesk-Aufgabe ein Problem mit einer Standard-/Nicht-Standard-Verbindung. Das hängt von Ihrem Standpunkt ab. Das Verbindungsmodell war eine einfache vollverschweißte K-Verbindung von Hohlprofilen (RHS) , und der Kunde diskutierte die geringere Tragfähigkeit dieser in der Connection-App berechneten Aussteifungsverbindung im Vergleich zu manuellen Berechnungen.

In diesem Teil der Geschichte ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass die CBFEM-basierte Lösung in der Software auf mehreren Ebenen vollständig verifiziert ist, einschließlich Labortests und vielen verwendeten Beispielen. Dennoch haben wir mit einer gründlichen Untersuchung des Problems und der Bereitstellung eines unabhängigen Finite-Elemente-Modells aus 3D-Volumenkörpern mit geometrisch nichtlinearem elastoplastischem Verhalten in der Software midas FEA NX reagiert.

Die Annahmen für beide Modelle:

• Stahl S355 – ein bilineares Diagramm mit Verfestigung
• Geometrische und materielle nichtlineare Analyse

Dabei zeigte sich, dass manuelle Berechnungen trotz des mitgelieferten Regelwerks tendenziell eher konservativ sind. In diesem Fall ist es genau umgekehrt, und die doppelt geprüfte Finite-Elemente-Lösung, die ein präzises Modell liefert, weist in beiden numerischen Modellen einfach eine geringere Kapazität von etwa 77 % im Vergleich zu den manuellen Berechnungen auf. Dies ist auf die räumlichen Verformungen und Durchstanzung des Hauptträgers zurückzuführen.

Daneben gibt es in unserem Support-Center unter der Liste der Überprüfungs- und Forschungsartikel auch solche, die ausschließlich Verstrebungen diskutieren.

Einer von ihnen, rechteckige Hohlprofile , enthält auch das genaue Beispiel der geschweißten K-Verbindung, die nach Eurocode entworfen wurde. Die Arbeit zeigt die Forschungsergebnisse der Connection-App-Ergebnisvergleiche mit der traditionellen Methode, d. h. den von CBFEM ermittelten Widerstand gegen FMM für das uniplanare SHS-K-Gelenk

Für den US-Code AISC gibt es einige Verifikationsbeispiele, die von  Mahamid Mustafa  in einem gemeinsamen Projekt zwischen  der University of Illinois in Chicago  und IDEA StatiCa erstellt wurden. Der Text Chevron Brace Connection in a Braceed Frame (AISC) sowie die anderen zeigen sehr gut das sichere und dennoch effiziente Konzept der CBFEM-Methode.

Das Ende?

Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, diesen Artikel zu lesen, und wir hoffen, Sie bald wieder in unserem IDEA StatiCa-Blog zu sehen!

PS: Ein Bonus-Quiz 😊. Versuchen Sie zu zählen, wie viele Stahlverstrebungen Sie in unserer Beispielprojekte-Galerie finden können!

3,2,1,...

... in Ordnung, hier ist die vollständige gefilterte Liste zum Download, zur Einsicht und zur kostenlosen Nutzung.