Baugrund stellt in der Geotechnik aufgrund seines nichtlinearen und wegabhängigen Verhaltens eine komplexe Herausforderung dar. Bei der Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Modellierung der Boden-Bauwerk-Interaktion ist die Integration der Bauzustände in die Analyse unerlässlich, um genaue Simulationen, realistische Vorhersagen und sichere Bemessungen zu ermöglichen. Wird dieser kritische Aspekt vernachlässigt, kann dies zu unrealistischen Spannungsverteilungen, ungenauen Setzungsvorhersagen und einer Beeinträchtigung der strukturellen Stabilität führen. In diesem Beitrag werden die wichtigsten Gründe für die Wahl dieses Ansatzes untersucht und seine Bedeutung für die geotechnische Analyse hervorgehoben.
- Nichtlinearität und Spannungsverlauf im Bodenverhalten
Boden verhält sich unter Belastung nicht linear; seine Reaktion hängt von der Historie der aufgebrachten Spannungen ab. Die Spannungs-Dehnungs-Linie entwickelt sich mit der schrittweisen Einleitung von Lasten während des Baus. Die Erfassung dieses Verlaufs ist für eine realistische Spannungsverteilung unerlässlich, da sich die Spannungsverteilung in den einzelnen Bauzuständen schrittweise verändert, was sich auf die Setzungen und die Festigkeit auswirkt.
- Sequentielle Lastaufbringung
Beim Bau werden Lasten schrittweise aufgebracht, wenn Schichten oder Strukturen hinzugefügt werden. Mit Hilfe einer FEM, die Bauzustände einbezieht und realistische Lasteinleitungen simuliert, lassen sich Setzungen genau vorhersagen. Auf diese Weise wird eine Über- oder Unterschätzung der Bodenreaktion, die sich auf die strukturelle Stabilität auswirken kann, verhindert.
- Interaktion mit bestehenden Strukturen
Bei Projekten, die angrenzende oder bereits bestehende Strukturen einbeziehen, können die Auswirkungen des stufenweisen Baus auf benachbarte Gebäude oder Infrastrukturen erheblich sein. Eine stufenweise Analyse hilft, Risiken wie differenzielle Setzungen oder Bauschäden zu bewerten.
- Bauspezifische Herausforderungen
Die stufenweise Analyse hilft bei der Bewältigung vorübergehender Bedingungen während der Bauarbeiten, wie z.B. Entwässerung, übermäßige Setzung usw. Durch die Simulation jeder Phase können Ingenieure potenzielle Versagensmechanismen frühzeitig erkennen und Maßnahmen zur Stabilitätserhaltung während des Baus planen.
- Einhaltung von Bemessungsnormen
Moderne Normen für die geotechnische Bemessung, wie z.B. Eurocode 7, betonen die Bedeutung der Berücksichtigung von Bauzuständen bei Analysen. Diese Normen schreiben Ingenieuren vor, die Zwischenstabilität während des Baus und die langfristige Leistung des Boden-Bauwerk-Systems nach dem Bau zu bewerten, was einen stufenweisen Ansatz für den Bemessungsprozess erfordert.
Geotechnische Analyse mit Bauzuständen in RFEM 6
Nachdem wir festgestellt haben, wie wichtig es ist, Bauzustände in die geotechnische Analyse einzubeziehen, soll nun anhand des unten beschriebenen Modells untersucht werden, wie dieser Ansatz angewendet werden kann. Es handelt sich um ein Stahlbetongebäude auf einem Bodenmassiv, das in RFEM 6 modelliert wurde. Die Struktur besteht aus einer Stahlbetondecke für jedes Stockwerk, einer Fundamentplatte, Stützen und vertikalen Wänden. Die angesetzten Lasten umfassen das Eigengewicht des Bodens, das Eigengewicht der Konstruktion, die Eigenlasten und die Nutzlasten.
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Für alle, die mit dem Workflow zur Definition von Bauzuständen in RFEM 6 noch nicht vertraut sind, empfehlen wir die unten aufgeführten Knowledge Base-Artikel. Es ist wichtig zu beachten, dass Bauzustände in der Software auf der Grundlage von zwei Hauptfaktoren definiert werden: die Bauteile, die während eines bestimmten Bauzustands aktiv sind, und die Lasten, die während dieses Zustands angesetzt sind. Um Klarheit und Übersichtlichkeit zu gewährleisten, wird der Prozess für den ersten Bauzustand demonstriert und von einer Tabelle begleitet, in der erläutert wird, wie der gleiche Arbeitsablauf auf nachfolgende Bauzustände erweitert werden kann.
- KB 1737 | Bauzustände in der Modellierung definieren
- KB 1724 | Berücksichtigung von Bauzuständen in RFEM 6
Im ersten Bauzustand liegt der Schwerpunkt ausschließlich auf dem Boden. Um diesen Zustand zu konfigurieren, rufen Sie das Fenster "Bauzustände" auf und aktivieren Sie die Register "Volumenkörper" und "Flächen" wie in Bild 1 dargestellt. Dieser Schritt gewährleistet die Einbeziehung des Bodenvolumenkörpers sowie der Flächen mit vordefinierten Randbedingungen. Navigieren Sie durch die zugehörigen Register, um den Status der Volumenkörper und Flächen anzupassen. Wählen Sie für die Volumenkörper die Option "Alle", da in diesem Zustand keine anderen Volumenkörper im Modell vorhanden sind. Fügen Sie im Register "Flächen" auch Flächen mit vordefinierten Randbedingungen hinzu, insbesondere die Flächen mit den Nummern 31-47 und 54-57, wie in Bild 2 zu sehen ist. Um diesen Prozess zu rationalisieren, können vordefinierte Objektselektionen verwendet werden, wodurch Sie alle relevanten Elemente gleichzeitig hinzufügen können. Dies spart nicht nur Zeit, sondern erhöht auch die Genauigkeit beim Einrichten des Bauzustands.
Nachdem die strukturellen Änderungen für den Bauzustand definiert wurden, sind im nächsten Schritt die Lastfälle festzulegen, die während dieses Zustands aktiv sind. Dies erfolgt im Register "Bauzustände" des Dialogs "Lastfälle und Kombinationen", wie in Bild 3 dargestellt. Für den Anfangszustand wird nur das Eigengewicht des Bodens berücksichtigt und der entsprechende Lastfall zugewiesen.
In diesem Schritt können zusätzliche Optionen eingeführt werden, wie z.B. die Änderung der Struktur, je nach Bedarf für die betreffende Anfangsphase (siehe Bild 4). Dies ist wichtig, da bei Analysen, die das Hardening Soil-Material verwenden, das Material im ersten Zustand linearisiert werden muss. Öffnen Sie dazu das entsprechende Fenster und deaktivieren Sie die Materialnichtlinearität, wie in Bild 5 gezeigt.
Als nächstes können Sie die Statikanalyse-Einstellungen für die einzelnen Zustände anpassen, indem Sie das Fenster "Statikanalyse-Einstellungen" über das in Bild 4 gezeigte Register 'Basis' öffnen. Während für den Anfangszustand, in dem die Materialnichtlinearität deaktiviert ist, keine Änderungen erforderlich sind, wird dies in späteren Zuständen wichtig, wie z.B. in BZ2, wo Sie die Option "Gleichgewicht für unverformte Struktur" aktivieren können (siehe Bild 6). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Verformungen bei Null bleiben, so dass die Spannungen aus dem Eigengewicht des Bodens erhalten bleiben. Dieser Schritt ist entscheidend, um den richtigen Spannungszustand zu erreichen und sicherzustellen, dass das Materialmodell die richtige Steifigkeit hat.
Beim Betrachten der Einstellungen in Bild 6 ist zu erkennen, dass die Statikanalyse-Einstellungen für die Anfangsphase mit einer einzigen Laststufe konfiguriert sind. Da jedoch Lasten in aufeinanderfolgenden Phasen aufgebracht werden, sind zusätzliche Überlegungen erforderlich, wie z.B. die Anpassung der Anzahl der Laststufen an die sich entwickelnden Lastbedingungen. Zu diesem Zweck kann eine neue Statikanalyse-Einstellung mit einer erhöhten Anzahl an Laststufen erstellt und nachfolgenden Phasen zugewiesen werden. Die spezifische Anzahl der Laststufen für jede Phase in diesem Modell ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt, um eine genaue Anpassung an den Bauablauf zu ermöglichen.
| Bauzustand: | Folgt: | Hinzugefügte Objekte | Aktiver Lastfall | Strukturmodifikation: | Anzahl der Laststufen: | Zusätzliche Überlegungen: |
|---|---|---|---|---|---|---|
| BZ1 | / | Bodenvolumenkörper, Flächen mit Randbedingungen | LF4 | Material-Nichtlinearitätsmodelle deaktiviert | 1 | / |
| BZ2 | BZ1 | / | LF4 | / | 1 | Gleichgewicht für unverformte Struktur (u=0) |
| BZ3 | BZ2 | Gründungselemente | LF1, LF4 | / | 2 | / |
| BZ4 | BZ3 | Erdgeschoss: Wände und Stützen | LF1, LF4 | / | 2 | / |
| BZ5 | BZ4 | Erdgeschoss: Decke | LF1, LF4 | / | 2 | / |
| BZ6 | BZ5 | 1. Etage: Wände und Stützen | LF1, LF4 | / | 6 | / |
| BZ7 | BZ6 | Dachdecke | LF1, LF4 | / | 6 | / |
| BZ8 | BZ7 | Eigenlast | LF1, LF2, LF4 | / | 10 | / |
| BZ9 | BZ8 | Nutzlast | LF1, LF2, LF3, LF4 | / | 10 | / |
| Lastfall | Angesetzte Last |
|---|---|
| LF1 | Struktureigengewicht |
| LF2 | Eigenlast |
| LF3 | Nutzlast |
| LF4 | Bodeneigengewicht |
Wie in der Einleitung hervorgehoben wurde, ist es entscheidend, nachfolgende Bauzustände so zu definieren, dass der Bauablauf und die Belastung möglichst genau abgebildet werden und gleichzeitig das Bodenverhalten realistisch erfasst wird. Die Tabellen 1 und 2 können als Leitfaden für die Definition der nachfolgenden Bauzustände dienen, wenn man sich an den für den ersten Bauzustand (BZ1 Anfang) beschriebenen Arbeitsablauf hält und die Hinweise für die anderen Bauzustände berücksichtigt. Beachten Sie, dass alle Bauzustände mit einem geometrisch linearen Ansatz analysiert werden, wobei die Newton-Raphson-Methode für nichtlineare Analysen verwendet wird. Anpassungen anderer Analyseeinstellungen, wie z.B. die Anzahl der Laststufen, sind in der unten stehenden Tabelle aufgeführt.
Nach der Definition der Bauzustände müssen im nächsten Schritt die Einstellungen für die Generierung der Lastkombinationen angepasst werden, bevor mit den Berechnungen begonnen wird. Dies kann im Kombinationsassistenten der jeweiligen Bemessungssituation erfolgen. Hier können Sie die Analyseeinstellungen konfigurieren und die Option zur Berücksichtigung eines Anfangszustands aktivieren, der die Zuordnung der definierten Bauzustände ermöglicht, wie in Bild 7 dargestellt. Diese Methode stellt sicher, dass für jeden Zustand Lastkombinationen generiert werden, wobei der Anfangszustand aus dem vorhergehenden Bauzustand mit einbezogen wird, so dass ein nahtloser und genauer Übergang zwischen den Bauphasen gewährleistet ist.
Sie haben nun alle notwendigen Informationen, um die Berechnung zu starten und die Ergebnisse zu analysieren. So können Sie beispielsweise die Verschiebungen in jedem Bauzustand sowie die endgültigen Verschiebungen im abgeschlossenen Bauzustand BZ9 anzeigen, in dem die Struktur vollständig gebaut ist und alle Lasten aufgebracht sind. Außerdem können Sie die Ergebnisse als Differenzen innerhalb einer Laststufe in einem Bauzustand oder relativ zum vorhergehenden Zustand anzeigen lassen (Bild 8). Dadurch lassen sich die Verformungen beobachten, die durch die Konstruktion bestimmter Bauteile oder durch die Aufbringung von Lasten entstehen. In Bild 8 sind beispielsweise die durch die Konstruktion der Gründungselemente verursachten Setzungen zu sehen.
Fazit
Die Einbeziehung von Bauzuständen in die geotechnische Finite-Elemente-Analyse ist für die Gewährleistung der Sicherheit, Stabilität und Dauerhaftigkeit von Bauwerken unerlässlich. Durch die Simulation des schrittweisen Baufortschritts können Ingenieure das Bodenverhalten genau einschätzen, Planungen optimieren und potenzielle Risiken proaktiv angehen. Mit zunehmender Größe und Komplexität von Projekten wird die schrittweise Analyse immer unverzichtbarer. Mit seinen fortschrittlichen Funktionen und intuitiven Tools bietet RFEM 6 Ingenieuren eine leistungsstarke Plattform zur Durchführung detaillierter Analysen von Bauzuständen, die sowohl die Effizienz als auch die Zuverlässigkeit in der Geotechnik erhöhen.
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