Materialien werden für die Definition von Flächen, Querschnitten und Volumenkörpern benötigt. Die Materialeigenschaften fließen in die Steifigkeiten dieser Objekte ein.
Name
Sie können einen beliebigen Namen für das Material festlegen. Wenn die Bezeichnung mit einem Eintrag der Bibliothek übereinstimmt, liest RFEM die hinterlegten Materialkennwerte ein. Um das Material in der Bibliothek auszuwählen, klicken Sie auf die Schaltfläche
am Ende der Eingabezeile. Die Übernahme von Materialien ist im Kapitel Materialbibliothek beschrieben.
Bei Materialien aus der Bibliothek sind die 'Grundlegenden Materialkennwerte' fest eingestellt und nicht veränderbar. Möchten Sie benutzerdefinierte Kennwerte des Materials verwenden, so haken Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material an (siehe Abschnitt Benutzerdefiniertes Material).
Basis
Das Register Basis verwaltet die fundamentalen Materialparameter.
Materialtyp
Über den Materialtyp wird die Kategorie des Materials festgelegt. Sie steuert, welche Parameter und Beiwerte bei der Bemessung relevant sind. Der Materialtyp legt auch die Teilsicherheitsbeiwerte des Materials fest, die je nach Norm bei der Bemessung berücksichtigt werden.
Bei einem Material der Bibliothek ist einer der folgenden Materialtypen voreingestellt.
Materialmodell
In der Liste stehen folgende Materialmodelle zur Auswahl:
Isotrop linear elastisch
Die linear-elastischen Steifigkeitseigenschaften des Materials sind unabhängig von der Richtung. Sie lassen sich wie folgt beschreiben:
Es gelten folgende Bedingungen:
- E > 0
- G > 0
- -1 < ν ≤ 0,5 (für Flächen und Volumenkörper; für Stäbe nach oben unbegrenzt)
Die Nachgiebigkeitsmatrix (Umkehrung der Steifigkeitsmatrix) lautet für Flächen:
Orthotrop linear elastisch (Flächen)
Bei diesem Materialmodell können Steifigkeitseigenschaften definiert werden, die in die beiden Flächenrichtungen x und y unterschiedlich ausgeprägt sind. Damit lassen sich beispielsweise die Eigenschaften von glasfaserverstärktem Kunststoff, Rippendecken oder die Spannrichtungen bewehrter Decken abbilden. Die Flächenachsen x und y stehen in der Flächenebene senkrecht zueinander.
Um unterschiedliche Materialeigenschaften für die x- und y-Richtung zu definieren, aktivieren Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material. Im Register 'Orthotrop - Linear elastisch (Flächen)' können Sie dann die Parameter des Materials festlegen.
Für eine positiv definite Steifigkeitsmatrix müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
- Ex > 0; Ey > 0
- Gyz > 0; Gxz > 0; Gxy > 0
Orthotrop linear elastisch (Volumenkörper)
Im dreidimensionalen orthotropen Materialmodell können die elastischen Steifigkeiten in alle Richtungen des Volumenkörpers getrennt definiert werden. Um unterschiedliche Materialeigenschaften für jede Richtung zu definieren, aktivieren Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material. Im Register 'Orthotrop - Linear elastisch (Volumenkörper)' können Sie dann die Parameter des Materials festlegen.
Die aus den Eingaben ermittelten Steifigkeitsmatrixelemente werden im Register 'Orthotrop - linear elastisch (Volumenkörper) - Steifigkeitsmatrix' angegeben.
Isotrop Holz linear elastisch (Stäbe)
Dieses Materialmodell steht bei Materialien des Typs 'Holz' zur Auswahl. Damit können Sie beispielsweise die Eigenschaften einer OSB-Platte in einem Stabmodell abbilden, das die unterschiedlichen Steifigkeiten in Abhängigkeit von der Einbaulage erfasst. Die Lage der Platte können Sie im Register 'Isotrop Holz | Linear elastisch (Stäbe)' über die beiden Listen festlegen.
Orthotrop Holz linear elastisch (Flächen)
Bei Materialien des Typs 'Holz' kann mit diesem Materialmodell der E-Modul hinsichtlich der Tragwirkung als Wand oder Platte sowie der Schubmodul Gxy gesteuert werden: OSB-Platten beispielsweise weisen je nach Einbaulage im Modell richtungsabhängige Steifigkeiten auf.
Die Steifigkeitsparameter können im Register 'Orthotrop Holz | Linear elastisch (Flächen)' definiert werden. Bei Holzmaterialien aus der Bibliothek sind Standardwerte voreingestellt. Um unterschiedliche Materialeigenschaften für jede Richtung zu definieren, aktivieren Sie zuvor im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material (siehe Abschnitt Benutzerdefiniertes Material).
Elastizitätsmodul
Der E-Modul beschreibt das Verhältnis zwischen Normalspannung und Dehnung.
Schubmodul
Der Schubmodul G, auch Gleitmodul genannt, ist die zweite Kenngröße zur Beschreibung des elastischen Verhaltens eines linearen, isotropen und homogenen Materials. Die Verformung basiert in diesem Fall auf einer Schubspannung.
Querdehnzahl
Die Querdehnungszahl ν, auch Poissonzahl genannt, wird für die Ermittlung der Querkontraktion benötigt. Bei isotropen Materialien liegt die Querdehnzahl üblicherweise zwischen 0,0 und 0,5. Ab einem Wert von 0,5 (z. B. Gummi) ist daher anzunehmen, dass kein isotropes Material vorliegt.
Der Zusammenhang zwischen E-Modul, G-Modul und Querdehnzahl bei einem isotropen Material ist in Gleichung Querdehnzahl beschrieben.
Wenn Sie ein Benutzerdefiniertes Material mit seinen isotropen Eigenschaften eingeben, ermittelt RFEM die Querdehnzahl aus den Werten des E- und G-Moduls. Diese Voreinstellung können Sie bei Bedarf in der Liste 'Definitionstyp' ändern.
Definitionstyp für Materialkennwerte
| E | G | (ν) | Querdehnzahl wird aus E- und G-Modul bestimmt |
| E | (G) | ν | Schubmodul wird aus E-Modul und Querdehnzahl bestimmt |
| E | G | ν | E-Modul, G-Modul und Querdehnzahl sind unabhängig voneinander |
Spezifisches Gewicht / Dichte
Das spezifische Gewicht γ beschreibt das Gewicht des Materials je Volumeneinheit. Die Angabe ist insbesondere für den Lastfall "Eigengewicht" von Bedeutung: Die automatische Eigenlast des Modells wird aus dem spezifischen Gewicht und den Querschnittsflächen der verwendeten Stäbe bzw. den Flächen und Volumenkörpern ermittelt.
Die Dichte ρ beschreibt die Masse des Materials je Volumeneinheit. Diese Angabe wird für dynamische Untersuchungen benötigt.
Wärmedehnzahl
Die Wärmedehnzahl α beschreibt den linearen Zusammenhang zwischen Temperatur- und Längenänderungen (Dehnung des Materials bei Erwärmung, Stauchung bei Abkühlung).
Die Wärmedehnzahl ist für die Lastarten 'Temperatur' und 'Temperaturänderung' relevant.
Benutzerdefiniertes Material
Bei Materialien aus der Bibliothek sind die Materialkennwerte fest voreingestellt. Sie können daher in den Eingabefeldern nicht direkt geändert werden.
Um die Eigenschaften eines Material anzupassen, aktivieren Sie im Abschnitt 'Optionen' das Kontrollfeld Benutzerdefiniertes Material. Damit werden die Eingabefelder der grundlegenden Materialkennwerte im Register 'Basis' zugänglich. Ebenso können Sie im Register 'Materialwerte' die bemessungsspezifischen Kennwerte ändern.
Liegt ein Material mit orthotropen Eigenschaften vor, können im Register 'Orthotrop' die Anpassung der E- und G-Moduln sowie der Querdehnzahlen vorgenommen werden (siehe Bild Steifigkeitsmatrix für orthotrop linear elastisches Material). Wenn Sie die Option 'Steifigkeitsmatrixelemente setzen' aktivieren, können Sie die Steifigkeitsmatrixelemente auch manuell festlegen.
Steifigkeitsmodifizierung
Bei einem benutzerdefinierten Material können Sie die Steifigkeit anpassen, beispielsweise um Sicherheitsfaktoren oder abgeminderte Materialeigenschaften zu berücksichtigen. In der Liste 'Modifizierungstyp' stehen zwei Möglichkeiten zur Auswahl:
- Teilungsfaktor für E- und G-Module
- Multiplikationsfaktor für E- und G-Module
Geben Sie im Abschnitt 'Parameter' den Faktor an, mit dem die Materialsteifigkeit angepasst werden soll.
Temperaturabhängig
Um ein linear elastisches Material mit temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungseigenschaften zu definieren, aktivieren Sie im Abschnitt 'Optionen' die Kontrollfelder Benutzerdefiniert und Temperaturabhängig. Sie können dann die temperaturabhängigen Materialkennwerte im Register 'Temperaturabhängig' festlegen. Diese Materialeigenschaften werden für Objekte berücksichtigt, die durch Temperatur oder Temperaturänderung thermisch beansprucht sind.
Wählen Sie in der Liste 'Temperaturabhängiger Kennwert' einen Materialkennwert aus, beispielsweise den E-Modul. Erzeugen Sie dann mit der Schaltfläche
die erforderlichen Tabellenzeilen, damit Sie die Temperaturen mit den zugehörigen Werten zeilenweise eintragen können. Mit der Schaltfläche
lassen sich die Daten auch aus einer Excel-Tabelle importieren.
Die 'Referenztemperatur' legt die Steifigkeiten für die Objekte fest, die keine Temperaturlasten aufweisen. Bei einem Referenzwert von beispielsweise 300 °C wird für alle Stäbe und Flächen der reduzierte E-Modul dieses Punkts der Temperaturkurve angesetzt.