Knicklängen berechnen und richtig ablesen

Wird ein Stab zur Verhinderung des Knickens aufgrund einer Drucknormalkraft seitlich gestützt, so ist sicherzustellen, dass die seitliche Abstützung auch tatsächlich in der Lage ist, das Knicken zu verhindern. Demzufolge geht es in diesem Beitrag darum, mithilfe des Winter-Modells die ideale Federsteifigkeit einer seitlichen Stützung zu ermitteln.

Dieser Fachbeitrag untersucht die Auswirkungen der Anschlusssteifigkeit auf die Schnittgrößenermittlung sowie die Bemessung der Anschlüsse am Beispiel eines zweistöckigen, zweischiffigen Stahlrahmens.

Mit den RFEM- und RSTAB-Zusatzmodulen RF-STABIL beziehungsweise RSKNICK ist es möglich, Eigenwertanalysen für Stabtragwerke durchführen, um die Knicklängenbeiwerte zu bestimmen. Die Knicklängenbeiwerte können im Anschluss zur Stabilitätsbemessung verwendet werden.

Als erste Ergebnisse werden die kritischen Lastfaktoren präsentiert. Damit ist eine Beurteilung der Stabilitätsgefährdung möglich. Bei Modellen mit Stäben werden die Knicklängen und kritischen Lasten der Stäbe tabellarisch ausgegeben.

In weiteren Ergebnismasken können die normierten Eigenformen knoten-, stab- und flächenweise überprüft werden. Die grafische Ausgabe der Eigenwerte ermöglicht eine Beurteilung des Knick- bzw. Beulverhaltens. Sie erleichtert es, Gegenmaßnahmen vorzusehen.

Für die Eigenwertermittlung stehen mehrere Methoden zur Auswahl:

• Direkte Methoden
  • Die direkten Methoden (Lanczos, Wurzeln des charakteristischen Polynoms, Unterraum-Iterationsmethode) sind für kleine bis mittlere Modelle geeignet. Diese schnellen Methoden für Gleichungslöser profitieren von viel Arbeitsspeicher (RAM) im Computer. Auf 64Bit-Systemen wird mehr Speicher genutzt, sodass sich auch größere Systeme schnell berechnen lassen.
• ICG-Iterationsmethode (Incomplete Conjugate Gradient)
  • Diese Methode benötigt nur wenig Arbeitsspeicher. Die Eigenwerte werden nacheinander ermittelt. Sie kann eingesetzt werden, um sehr große Systeme mit wenigen Eigenwerten zu berechnen.

Mit RF-STABIL kann auch eine nichtlineare Stabilitätsanalyse durchgeführt werden. Sie liefert auch bei nichtlinearen Systemen wirklichkeitsnahe Ergebnisse. Der kritische Lastfaktor wird ermittelt, indem die Lasten des zugrunde liegenden Lastfalls schrittweise bis zur Instabilität gesteigert werden. Bei der Laststeigerung werden Nichtlinearitäten wie z. B. ausfallende Stäbe, Lager und Bettungen sowie Materialnichtlinearitäten berücksichtigt.

Zunächst ist ein Lastfall oder eine Lastkombination auszuwählen, deren Normalkräfte für die Stabilitätsberechnung verwendet werden. Es kann ein weiterer Lastfall festgelegt werden, um z. B. eine Anfangsvorspannung zu berücksichtigen.

Es ist anzugeben, ob eine lineare oder eine nichtlineare Analyse erfolgen soll. Je nach Anwendungsfall kann eine direkte Berechnungsmethode wie z. B. nach Lanczos oder aber die ICG-Iterationsmethode ausgewählt werden. Stäbe, die nicht in Flächen integriert sind, werden in der Regel als Stabelemente mit zwei FE-Knoten abgebildet. Mit solchen Elementen kann das lokale Knicken des Einzelstabes nicht erfasst werden. Deshalb besteht die Möglichkeit, Stäbe automatisch teilen zu lassen.