Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

[Falko]

Hallo Zusammen!

Ich hätte eine Frage bzgl. der Kopplung von Flächenelementen mit Stabelementen.
Ich möchte einen Stab mit einer Platte biegesteif koppeln. Der Stab steht senkrecht auf der Platte und soll in der Platte biegesteif angeschlossen sein. Wenn ich jetzt einen Knoten in die Platte setzte und daran den Stab anschließe erkennt RFEM zwar den Knoten und leitet auch ein Moment ein jedoch so wie ich glaube nur an diesem Knoten. Ich bin der Meinung das dies zu fehlerhaften Ergebnissen führt da durch die Einleitung des Moments an einem Knoten Singularitäten enstehen. Dies kann man in diesem Fall auch daran erkennen, dass die Schnittgrößen bei einer Netzverfeinerung sehr stark ansteigen. Mein Problem ist aber das ich auch die Schnittgrößen an diesem Schnittpunkt brauche.
Hat RFEM für solche Fälle eine Funktion implementiert, die diese Singularitäten vermeidet? Oder welche Modelierungsart wäre hier für RFEM zu empfehlen? Wäre hierfür denkbar ein kurzes Kopplungselement zwischen Stab und Platte zu setzten?

Danke schon mal im voraus!

Gruß
Falko Dieringer

[Frank Faulstich]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

[...]
Ich möchte einen Stab mit einer Platte biegesteif koppeln. Der Stab steht senkrecht auf der Platte und soll in der Platte biegesteif angeschlossen sein. Wenn ich jetzt einen Knoten in die Platte setzte und daran den Stab anschließe erkennt RFEM zwar den Knoten und leitet auch ein Moment ein jedoch so wie ich glaube nur an diesem Knoten. Ich bin der Meinung das dies zu fehlerhaften Ergebnissen führt da durch die Einleitung des Moments an einem Knoten Singularitäten enstehen.

Genau so ist es. Das Stabelement und die Flächenelemente sind in genau einem FE-Knoten miteinander gekoppelt. Wenn kein Stabendgelenk definiert ist, dann ist die Kopplung biegesteif.
Die Krafteinleitung in einem Punkt entspricht natürlich nicht der Realität.

Dies kann man in diesem Fall auch daran erkennen, dass die Schnittgrößen bei einer Netzverfeinerung sehr stark ansteigen. Mein Problem ist aber das ich auch die Schnittgrößen an diesem Schnittpunkt brauche.

Brauchen Sie die Schnittgrößen im Stabelement oder in den Flächenelementen?
Im Stabelement sollten die Schnittgrößen im Gegensatz zu den Flächenelementen hinreichend genau sein.

Hat RFEM für solche Fälle eine Funktion implementiert, die diese Singularitäten vermeidet? Oder welche Modelierungsart wäre hier für RFEM zu empfehlen? Wäre hierfür denkbar ein kurzes Kopplungselement zwischen Stab und Platte zu setzten?

Die Behandlung von Sigularitäten ist eine viel diskutiertes Thema. Deswegen möchte ich das hier etwas ausführlicher erläutern.
Eine spezielle Funktion zum Vermeiden von Singularitäten gibt es nicht, aber einige hilfreiche Werkzeuge.
Wie oben schon angedeutet, treten Singularitäten an Stellen auf, die gegenüber der Realität vereinfacht modelliert sind. Einige weitere Beispiele:

- Starre Punktlager
- Einzellasten
- Fahnenblechanschluss modelliert mit Flächenelementen

Eine Lagerung in nur einem Punkt gibt es nicht. Jede Lagerung hat eine gewisse flächenhafte Ausdehnung. Absolut starr ist eine Lagerung auch nie. Sie hat immer eine Federsteifigkeit.
Genau diese beiden Punkte kann man berücksichtigen, wenn man bei der Eingabe der Option "Stütze in Z" aktiviert.
Analog zur Lagerung gibt es keine Last, die nur an einem Punkt eingetragen wird. Jede Last hat auch eine flächenhafte Ausdehnung. Die Last wirkt ja immer an der Ober- oder Unterseite einer Fläche. Es kann mindestens die Fläche angesetzt werden, die sich aus der Lastausbreitung bis zur Mittelfläche ergibt.
Voraussetzung für die Anwendung von Flächenelementen ist, dass von einem ebenen Spannungszustand ausgegangen werden kann. Die Spannungen in lokaler z-Richtung sollten also vernachlässigbar sein. Beim Fahnenblechanschluss sind sie das im Bereich des Übergangs nicht. Man könnte diesen Bereich mit Volumenelementen modellieren. Dabei würde man feststellen, dass die Spannungen im Überschneidungsbereich von Platte und Fahne nicht maßgebend werden. Deswegen ist es praktikabler, bei Flächenelementen zu bleiben und im Überschneidungsbereich die Spannungen nicht auszuwerten. Dazu könnte man eine rechteckige Öffnung in der Form des Fahnenquerschnittes in die Platte schneiden und diese Öffnung mit einer weiteren Fläche wieder auszufüllen. Diese Fläche sollte möglichst starr sein und genau dafür gibt es einen speziellen Flächentyp. Als Dickentyp der Fläche muss "orthotrop" eingestellt werden. Mit der Schaltflächen hinter der Liste wird ein weiterer Dialog geöffnet. Dort steht die Auswahl "starr" zur Verfügung. Nach der Berechnung können an diesen starren Flächen die Ergebnisse ausgeblendet werden (Menü Ergebnisse -> Vorhandene Ergebnisse, Register Einstellungen, Haken bei "starr" entfernen).
Grundsätzlich gilt aber, dass Sigularitäten nur dann besonders behandelt werden sollten, wenn auch wirklich die Schnittgrößen in deren Nähe interessieren.

Wie man in Ihrem konkreten Fall vorgeht hängt von Profil des Stabes ab. Bei einem Rohr- oder Vollquerschnitt würde ich in der Fläche eine Öffnung mit dem Querschnitt des Stabes schneiden, diese mit einer starren Fläche ausfüllen und den Stab in der Mitte der starren Fläche an einem Punkt anschließen.
Bei einem Doppel-T-Profil würde ich den einen Teil das Stabes in Flächenelemente zerlegen (Rechtsklick auf den Stab...). In der Platte würde ich eine Öffnung mit den Querschnittsabmessungen schneiden und mit einer starren Fläche füllen.
Interessante Informationen zu diesem Thema finden Sie in Rombach, Anwendung der Finite-Elemente-Methode im Betonbau - Fehlerquellen und ihre Vermeidung (http://www.dlubal.de/literature.aspx...ory=FEM&id=286).

Viele Grüße

Frank Faulstich

[Falko]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

In meinem Fall handelt es sich um einen rechteckigen Vollquerschnitt. Ich werde die Kopplung wie von Ihnen beschrieben mit einer starren Fläche in der ich den Stab anschließe durchführen. Dies erscheint mir eine geeignete Modelbildung für diesen Bereich.

An dieser Stelle möchte ich noch ein Lob an das Dlubal Team aussprechen. Die Einrichtung dieses Forums ist ein sehr nützliches Hilfsmittel für jeden Anwender der Dlubal Programme!! Also weiter so!!!
Nochmals Danke für die schnelle Antwort!!

Gruß
Falko Dieringer

[Joerg Sando]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

Sehr geehrter Herr Faulstich,

vielen Dank für die gute Übersicht zum Thema Singularitäten. Ich werde den Beitrag audrucken und abheften. Über das Thema gibt es noch viel zu diskutieren.

Nur eine kleine Anmerkung meinerseits:

Zitat:

Als Dickentyp der Fläche muss "orthotrop" eingestellt werden. Mit der Schaltflächen hinter der Liste wird ein weiterer Dialog geöffnet. Dort steht die Auswahl "starr" zur Verfügung.

Warum ist eine starre Fläche ortotrop? Habe schon einmal nach dem Flächentyp "starr" verzweifelt gesucht und natürlich dies nicht bei "ortotrop" vermutet. Nach meiner Meinung wäre es logischer, wenn der Flächentyp "starr" in der gleichen Auswahl wie "ortotrop" zu finden wäre.

Mit freundlichen Grüßen

Jörg Sando

[Frank Faulstich]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

[...]
Als Dickentyp der Fläche muss "orthotrop" eingestellt werden. Mit der Schaltflächen hinter der Liste wird ein weiterer Dialog geöffnet. Dort steht die Auswahl "starr" zur Verfügung.

"Orthotrop" bedeutet eigentlich, das die Steifigkeit in x- und y-Richtung unterschiedlich ist. Das ist bei einer "starren" Fläche nicht der Fall. Es sind ausschließlich programmiertechnische Gründe, dass dieser Flächentyp hier zu finden ist.
Hintergrund: Die RFEM-Oberfläche und der Rechenkern sind strikt voneinander getrennt. Die Kommunikation erfolgt über eine Schnittstelle. In dieser Schnittstelle gibt es verschiedene Methoden zur Übergabe von Flächeninformationen.

1.) Mit Materialkennwerten und Flächendicke
2.) Mittels der Koeffizienten der lokalen Steifigkeitsmatrix

Für konstante und veränderliche Flächen wird 1.) genutzt. Dabei kümmert sich der Rechenkern um die Seifigkeit.
Bei orthotropen Flächen rechnet RFEM die Koeffizienten selber aus und übergibt sie mit der 2. Methode an den Rechenkern.
Bei starren Flächen werden mittels der 2. Methode große Werte für die Steifigkeit übergeben. Aus Sicht den Rechenkerns sind es also orthotrope Flächen. Das ist der einzige Grund, warum die Option "Starr" im Dialog für orthotrope Flächen zu finden ist.

[...]
Nach meiner Meinung wäre es logischer, wenn der Flächentyp "starr" in der gleichen Auswahl wie "ortotrop" zu finden wäre.

Genau so wird das in Zukunft geändert. "Starr" wird ein neben "Konstant", "Veränderlich", "Orthotop" und noch einigen neuen Typen ein gleichberechtiger Flächentyp.

Viele Grüße

Frank Faulstich

[Elby]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

Hallo Herr Dieringer,

Achtung: Ich würde aber trotzdem nicht den Balken nur an einem Knoten anbinden. Ich hatte das gleiche mal an einem Rohrquerschnitt und mussten auch ein Torsionsmoment übertragen. Angeschlossen an eine Orthotrope Platte. Dies war nicht ausreichend steif; bzw. dies ist total torsionsweich!!! Finger weg von der Lösung!

Besser ist es in der Ebene der orthotropen Fläche eine "Spinne" aus Kopplungsstäben zu machen


Gruß
H.Elbert

PS: Hab so ein schönes Testmodell bei dem man das sieht, aber ich kann leider keine Bilder hochladen?!?!

[Falko]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

Hallo Elby!

Danke für die Anmerkung! Die Idee mit der "Spinne" finde ich sehr interessant. Ich kann es mir zwar vorstellen, aber vielleicht hast du ja mal Zeit mir das Bild zu schicken? Würd mich freuen. (E-Mail: [email protected]) Danke!!!!

Gruß Falko

[Frank Faulstich]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

Hallo Herr Dieringer,

Achtung: Ich würde aber trotzdem nicht den Balken nur an einem Knoten anbinden. Ich hatte das gleiche mal an einem Rohrquerschnitt und mussten auch ein Torsionsmoment übertragen. Angeschlossen an eine Orthotrope Platte. Dies war nicht ausreichend steif; bzw. dies ist total torsionsweich!!! Finger weg von der Lösung!

Für die meisten Anwendungsfälle sollten die Steifigkeiten aber ausreichen. Es ist schwierig, sinnvolle Werte festzulegen, die für alle Anwendungsfälle passen und trotzdem keine numerischen Probleme hervorrufen.
Wichtig ist es, nach der Berechnung die Plausibilität der Verformungen zu überprüfen.
Ggf. könnte man auch die Koeffizienten manuell ändern.

Besser ist es in der Ebene der orthotropen Fläche eine "Spinne" aus Kopplungsstäben zu machen

Das ist etwas aufwendiger zu modellieren, hat aber den Vorteil, dass z.B. durch nichtlineare Stabelemente solche Effekte wie Lochleibung abbilden lassen.

PS: Hab so ein schönes Testmodell bei dem man das sieht, aber ich kann leider keine Bilder hochladen?!?!

Das Hochladen von Grafiken funktioniert leider im Moment noch nicht. Ist in Arbeit...

Viele Grüße

Frank Faulstich

[Elby]

AW: Kopplung Flächenelemente mit Stabelement

Hallo Falko,
hier die Bilder meines Testmodells. Man sieht sofort, dass die Torsionsteifigkeit des Anschlusses verlorengeht, wenn man nur an einen Knoten anschließt. Ich schick Dir das Modell mal zu.





Gruß Elby