Fachwerkstäbe und IDEA StatiCa

Hintergrund und Gemurmel

Willkommen zu meinem sechsten Blogbeitrag! Wie es schon zur Tradition geworden ist, bringe ich gerne eine persönliche Note mit ein. Wie viele von uns können sich daran erinnern, wann sie ihre erste Traverse analysiert haben? Ich war 18 Jahre alt und befand mich im zweiten Jahr der Oberstufe, um mein Abitur zu machen. Das Fach war Technisches Zeichnen und die Methode war die Bow'sche Notation.Wie viele (ältere) Ingenieure erinnern sich daran? Ein paar Jahre später war ein Fachwerk das erste Tragwerk, das ich an der Universität gebaut habe - zugegebenermaßen mit drei anderen Teammitgliedern. Es wurde zugeschnitten, gebohrt, verschraubt und bis zur Zerstörung getestet - was nicht allzu lange dauerte, wie ich hinzufügen möchte!

Traversen gibt es natürlich in vielen Formen und Größen und sie werden aus so vielen verschiedenen Materialien hergestellt, dass man sie kaum zählen kann - erinnern Sie sich an Trinkhalmkonstruktionen? Der gemeinsame Nenner waren jedoch immer die Verbindungen - nicht nur, wie sie behandelt werden sollten, sondern auch, wie sie konstruiert werden sollten. Für ihre Größe bieten sie eine außergewöhnliche Tragfähigkeit, was einer der Gründe dafür ist, dass sie eine gute Lösung für schwierige Situationen darstellen!

Ich habe schon immer eine Vorliebe für Holz gehabt - wahrscheinlich, weil ich mich für historische Bauwerke und Konstruktionen interessiere. Holz war das erste Baumaterial, das zur Herstellung von Dachstühlen verwendet wurde. Holzbinder gehen auf das Jahr 2500 v. Chr. zurück. Die alten Griechen verwendeten sie für ihre Dächer, und auch in der mittelalterlichen Architektur spielten sie eine wichtige Rolle.

Viele der alten Zehntscheunen wurden nach diesen Methoden gebaut. Die Verbindungen innerhalb der Holzbalken wurden mit traditionellen Schlitz- und Zapfenverbindungen mit Holzpflöcken oder ähnlichem hergestellt. Die Werkzeuge, die den Handwerkern in der Vergangenheit zur Verfügung standen, waren eher begrenzt, und so entstanden dreidimensionale Kunstwerke und nicht nur etwas, das Wind und Regen abhalten sollte.

Holzbinder wurden schon immer im Wohnungsbau verwendet, von mittelalterlichen Herrenhäusern bis hin zu modernen Wohnhäusern. Was sich jedoch dramatisch verändert hat, sind die verwendeten Methoden und Formen. Die modernen Dachstühle von heute mit ihren schlanken Stäben und technischen Verbindungsplatten sind weit entfernt von dem obigen Bild.

Wenn man die Entwicklung des Stahlbinders betrachtet, muss man zunächst die Rolle des Guss- und Schmiedeeisens in den Blick nehmen. Der Sektor, der maßgeblich für diese Entwicklung verantwortlich ist, ist das Transportwesen - man denke nur an die Eisenbahnen (überall auf der Welt).

Es gibt viele schöne Beispiele rund um den Globus:

Brunel’s Lenticular Truss – Royal Albert Bridge - Iron

The Firth of Forth Rail Bridge - Steel

Mit Brücken, die in cleverem und elegantem Design den Weg weisen, wer würde aus baulicher Sicht ins Schwarze treffen? 1889 wurde die „Eiserne Lady“ in Paris gebaut (auch als Eiffelturm bekannt ). Obwohl aus Schmiedeeisen gebaut, ist es heute vielleicht eines der ikonischsten Gebäude mit Traversen und Traversenbewegungen auf der Welt.

Natürlich werden bei modernen Konstruktionen immer häufiger Fachwerkbinder eingesetzt, um besondere Umstände oder große Spannweiten zu überwinden. Es gibt verschiedene Arten von Fachwerkbindern, einige mit speziellen Namen:

• Parabel Fachwerk
• Trapez Fachwerk
• Fink Fachwerk
• Gambrel Fachwerk
• Howe Fachwerk
• Königspfostenfachwerk
• Queen-Post-Fachwerk
• Parallelträger Fachwerk 
• Warren Fachwerk
• etc.

Strukturanalyse, Konstruktionsmethoden und Materialien haben sich geändert, aber die eine Konstante in Bezug auf schwierige Verbindungskonstruktionen bleibt bestehen. Die Fähigkeit, die korrekten Belastungsanforderungen an ein Fachwerk (und an jede andere Struktur) zu beurteilen, ist von entscheidender Bedeutung. Viele Fachwerke haben ihre Wurzeln in der Geometrie, daher ist es wichtig, dass die Geometrie auch als wichtiger, manchmal architektonischer Faktor anerkannt wird.

Was ist mit IDEA StatiCa?

Die Stäbe selbst (in einem Stahlfachwerk) sind oft schlank und unterliegen zusätzlichen Effekten, die einen Konstrukteur veranlassen könnten, höhere Formen der Analyse in Betracht zu ziehen. Eine Softwarelösung, die all diese Anforderungen mit einer einfach zu bedienenden Funktionalität verbindet, ist in der heutigen Welt des Bauwesens absolut notwendig.

Zum Glück gibt es IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection ist in der Lage, die komplizierten Fachwerkverbindungen von heute sicher und effizient zu bemessen - es gibt auch fortschrittliche Holzverbindungen (mit Platten). IDEA StatiCa Connection kann das analytische Modell von mehreren FEA-Lösungen mit Hilfe einer Anwendung namens IDEA StatiCa Checkbot verwenden. Checkbot stellt die Verbindung zwischen FEA und IDEA StatiCa Connection her. Wenn der Konstrukteur sich Sorgen um die Stäbe innerhalb des Fachwerks macht, dann haben wir IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot kann auch für diese Lösung verwendet werden.

Wo kommt IDEA StatiCa zum Einsatz? Betrachten Sie ein einfaches, aber wichtiges Beispiel:

Es handelt sich hierbei um die wahrscheinlich am meisten unterschätzten Bauwerke in unseren heutigen Straßennetzen. Sie sind allen üblichen Lastarten ausgesetzt: Eigengewicht, Verkehrslast, Wind, Schnee und Eis. Hinzu kommen die dynamischen Lasten, die möglicherweise ebenfalls zu berücksichtigen sind. Und das alles bei dem Versuch, etwas zu entwerfen, das sich effizient herstellen und schnell errichten lässt.

Dieses Beispiel wurde vereinfacht, da wir uns auf die Interaktion mit der IDEA StatiCa Lösung konzentrieren wollen.

Schnitt 1 – Finite Elemente Analyse

Die Struktur wurde in einer geeigneten Anwendung für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) – in diesem Fall Autodesk Robot Structural Analysis – modelliert, analysiert und entworfen. Eine vollständige Liste der unterstützten Anwendungen finden Sie auf unserer Website .

Das Add-in IDEA StatiCa Checkbot wurde aus Robot heraus gestartet. Die Installation der meisten dieser sogenannten Add-Ins zu den anderen unterstützten Anwendungen erfolgt automatisch, um deren Verwendung noch schneller und einfacher zu machen.

Schritt 2 – Export nach Checkbot

Bauteile und die Verbindungen werden in Robot ausgewählt und nach Checkbot exportiert. Sollten sich Änderungen ergeben, kann das Checkbot-Modell auch mit FEM synchronisiert werden. Die im FEA-Modell eingegebenen äußeren Lasten werden für die globale Analyse verwendet und die inneren Reaktionen – Normalkräfte, Querkräfte und Momente – an Checkbot übertragen. Einmal in Checkbot, stehen sie sowohl Connection als auch Member zur Verfügung.

In Checkbot, you can also visualize the load effects.

Members in IDEA StatiCa Checkbot can also be merged – so continuous members made from smaller lengths can be merged together for a connection design. In this example, the bottom chord members have been modified in this way. Conversely, the top chord has not because at its connection there is no need. This is great when using FEA applications that have to model continuous members in this way.

Step 3 – Design and check the connections

Connections can be designed and checked with IDEA StatiCa Connection and members can be checked in IDEA StatiCa Member. Member positioning has always been a compromise between analysis and actuality. Members can move in fabrication to make them easier to weld – this can often lead to problems within the analytical model. In IDEA StatiCa, we can modify eccentricities to allow for this mismatch.

It is within the Connection solution that you must remember to match the analysis model when looking at the Model Type. If you are looking to utilize single bolt connections in a traditional gusset plate, then you must remember to change the Model Type accordingly – to N,Vy,Vx – one that does not allow moments. However, if your connection (as it is in this example) can take a moment, then this step can be avoided.

Working with the actual design load combinations is imperative to achieve a safe and efficient connection model and code-check. Using four simple operations to create a fully welded joint, we can see that all of the critical load effects (our design combinations) have been checked in turn and all pass.

Step 4 – Check members

The second connection can be designed in a similar manner before looking at the brace in IDEA StatiCa Member.

What this shows, however, is that there is plenty of scopes to look into further material and connection efficiencies as many truss members are over-designed to compensate for this lack of advanced analysis.

Closing thoughts

Trusses are an essential part of Structural Engineering and their use is only going to get more and more adventurous. Advances in materials and methods of construction will mean that new designs and concepts will emerge over the coming years – I am sure of it. What I do see with the approach of IDEA StatiCa to be a data store is the best of both worlds: we can let experts in the FEA field carry on and develop world-class solutions whilst we link to their results and model to create the connection models and member checks – a field that we are best in class in!

I hope you have enjoyed this foray into the world of trusses and how we at IDEA StatiCa can help you in several ways. Look out for a related article coming soon on braces.