sens.21 - Prestressing modelling and analysis

Dieses Modul ermöglicht das Einführen von Spanngliedern mit 3D-Geometrie und die Berechnung von Vorspannungsverlusten. Es bietet Funktionen zur automatischen Generierung außermittiger finiter Elemente für Gruppen von Spanngliedern (die Spannglieder werden ein Bestandteil des Strukturmodells) und zur Berechnung der Ersatzlast, der Schnittgrößen und der durch die Vorspannung erzeugten Spannungen. Es empfiehlt sich, dieses Modul in Verbindung mit den Modulen „Bauphasen“ (sens.20) und „Bemessung von vorgespannten Betonbauteilen“ (sencd.06.en) verwendet.

Litzenvorlagen

Die Litzenvorlagen ermöglichen eine schnelle und einfache Modellierung von Betonteilen, die mit sofortigem oder nachträglichem Verbund vorgespannt sind. Über die sogenannten Bohrlochmuster und Litzenvorlagen kann der Benutzer einzelne Litzen eingeben und ihre Eigenschaften definieren, wie Anfangsspannung, Ablöselänge, Anordnungsabstand, Litzenart usw. Die Bohrlochmuster und Litzenvorlagen können dann in Bibliotheken gespeichert und später bei Bedarf wieder abgerufen werden, sodass eine standardisierte, unternehmensweite Lösung für das Litzenlayout in Bauteilen angewendet wird. In Verbindung mit dem Parametrisierungsmodul bietet dieses Modul eine sehr effiziente Lösung für vorgespannte Fertigteile.

Der Kunde kann einen sogenannten „Superuser“ zuweisen, der die Litzenvorlagen und einzelnen Vorlagen/Parameter erstellt und pflegt. Die „normalen“ Benutzer können dann diese vom Superuser erstellen Litzenvorlagen schnell und einfach anwenden, werden jedoch daran gehindert, firmenfremde Litzenvorlagen zu verwenden oder falsche Werte einzugeben. Der Superuser kann die Bibliothek auf einem Unternehmensserver speichern. Kunden des Unternehmens kann über das Internet Zugriff auf diese Bibliothek gewährt werden. Verschiedene Querschnittdaten können als DWG- oder DXF-Datei importiert werden. Dies ermöglicht eine schnelle Konvertierung der früheren Berechnungsmethoden in die neue integrierte SCIA Engineer-Lösung.

Der unkomplizierte Eingabedialog für Litzenvorlagen ist an die Anforderungen der Bemessungspraxis angepasst. Der Schwerpunkt der Vorspannung und des Querschnitts werden dem Benutzer auf einen Blick angezeigt. Dies unterstützt die ordnungsgemäße Bemessung der Vorspannung in asymmetrischen Querschnitten wie T-Formen an Brückenenden. In der Tabelle der geometrischen Daten werden online die Daten zur Vorspannung und zum gerissenen Betonquerschnitt berechnet, noch während der Benutzer die Litzenvorlage eingibt. Diese Daten umfassen beispielsweise das Trägheitsmoment, die Betonfläche ohne Litzen und das Querschnittmodul der oberen Fasern. Der Benutzer kann auf einfache Weise abgelöste und angeordnete Litzen zuweisen. Auch gekrümmte Bauteile können mit den Anordnungsfunktionen vorgespannt werden. Die Funktion ermöglicht das Verwenden beliebiger Vorspannungsmaterialien, wie Drähte, Litzen oder Stäbe. Dadurch können auch Strukturen wie asymmetrische T-Formen, Hohlkammerplatten, Doppel-T-Formen, Fundamentpfahle oder Fachwerkträgerplatten modelliert werden.

Alle eingegebenen Daten können im Grafikfenster von SCIA Engineer überprüft und bei Bedarf einfach angepasst werden. Über die Anzeigeparameter kann der Benutzer das Bild der Litzenvorlage je nach Unternehmenspraxis anpassen. Das angepasste Bild wird im Dokument gespeichert. Weitere Daten, die gedruckt werden können, umfassen die Anfangsspannungen, Bohrlochmuster und Litzeneigenschaften.

Spannglieder

Mit der Funktion für mit nachträglichem Verbund vorgespannte oder externe Spannglieder kann der Benutzer Spannglieder für Träger, Stützen, Wände und Platten auf einfache Weise und in 3D modellieren. Der Benutzer kann entweder direkt ein internes oder externes Spannglied zeichnen oder für die Bemessung eines vorgespannten Spannglieds eine Bibliothek standardmäßiger Quellgeometrien verwenden. Die Quellgeometrie stellt einen Teil des Spannglieds dar: der gerade Teil am Ende des Spannglieds, der gekrümmte Teil mit dem geringsten Radius oberhalb der Auflage oder der Teil in der Spanngliedmitte. Quellgeometrien können zusammengeführt werden, um die praktische Geometrie des Spannglieds gemäß der allgemeinen technischen Praxis zu definieren. Spanngliedgeometrien können auch im XML-, DWG- oder DXF-Format importiert werden.

Während der Bemessung (vor der Berechnung) kann der Benutzer die geschätzten Verluste überprüfen. Dies trägt zu einer schnellen und einfachen Bemessung bei. Nach erfolgreicher Berechnung können die entsprechenden Geometriedaten und Spanngliedeigenschaften in einem benutzerfreundlichen Format gedruckt werden. Außerdem können alle (geometrischen) Eigenschaften eines internen oder externen Spannglieds parametrisiert werden, was die Bemessung wiederholt verwendeter oder ähnlicher Strukturen beschleunigt und vereinfacht.

Spannglieder können für beliebige Strukturen definiert werden: Brücken, Platten in einem Gebäude, Wände oder Träger. Folgende Normen werden unterstützt: IBC, DIN, ÖNORM, ČSN, NEN, ENV und der aktuellste Eurocode. Das Spannglied kann in der XZ- und/oder XY-Ebene gekrümmt sein. Dadurch können nahezu beliebige vorgespannte Strukturen modelliert werden, mit oder ohne interne oder externe Spannglieder.

Der Benutzer kann alle erforderlichen Eigenschaften des Spannglieds definieren, wie Verankerungssatz, Anfangsspannung oder Reibungseigenschaften. Außerdem können die Vorspannungsmethode (nur vom Anfang, vom Anfang und erneut vom Ende usw.) und die Art der kurzzeitigen Entspannung festgelegt werden. Die standardmäßige Materialbibliothek enthält übliche Vorspannungsmaterialien wie Drähte, Litzen, Seile und Träger. Allgemeine Entspannungstabellen werden für jede nationale Norm definiert und können je nach Anforderungen des Benutzers oder Herstellers angepasst werden.

Nach dem Abschluss der Spanngliedbemessung kann das Spannglied für die endgültige Zeichnung in ein CAD-Programm exportiert werden. Das Berechnungsdokument fasst alle erforderlichen Daten, Ergebnisse und Eigenschaften des Spannglieds zusammen. Alle relevanten Daten werden in das benutzerfreundliche SCIA Engineer-Dokument eingebettet und erfordern keinerlei zusätzliche Bearbeitung.

Mit den Modulen für die Vorspannung und die Parametrisierung kann der Benutzer auf einfache Weise und je nach Projekt- oder Unternehmensvorgaben optimale Vorlagen für vorgespannte Strukturen erstellen. Das Dokument kann dabei je nach Bedarf des Technikers angepasst werden. Außerdem lässt sich jedes einzelne Dokument separat je nach Anforderungen und Bedürfnissen der einzelnen externen Beteiligten anpassen. Sämtliche Anpassungen erfolgen durch einfaches Klicken auf Schaltflächen.

Zeitabhängige Analyse (ZAA)

Die zeitabhängige Analyse (ZAA) ermöglicht das Ausführen zeitabhängiger Analysen für vorgespannten Beton, aber auch für 2D-Verbundrahmenstrukturen. Bei der Analyse werden die definierten Bauphasen und das Kriechen, Schwinden und Altern des Betons berücksichtigt. Das für die zeitabhängige Analyse verwendete Verfahren basiert auf einer schrittweisen Prozedur, in der die Zeitdomäne durch Zeitknoten unterteilt ist. Die FE-Analyse wird in jedem Zeitknoten ausgeführt. Für die Analyse des Kriechens wird die Theorie der linear-viskoelastischen Alterung angewendet.

Aufgrund der Symmetrie der Langzeitlasten können die Struktur und die Last in einer vertikalen Ebene modelliert werden. Es wird das Strukturmodell eines ebenen Rahmens verwendet. Die finiten Elemente der Ausmitte stellen Betonhohlbalken (oder getrennt Betonstege und Schichten einer Decke), vorgespannte Spannglieder, Diaphragmen, Pfeiler, temporäre Zuganker, nicht vorgespannte Bewehrungen usw. dar. Alle Vorgänge der Konstruktion werden in der Strukturanalyse gemäß des realen Produktionszeitplans beachtet. Die Elemente werden je nach Konstruktionsprozess eingebaut und entfernt. Es können verschiedene Konstruktionsvorgänge modelliert werden, beispielsweise das Einbauen oder Entfernen von Segmenten und vorgespannten Spanngliedern, Änderungen der Randbedingungen, Lasten und vorgeschriebenen Verschiebungen.

Die vorgespannten Spannglieder werden als ausmittige finite Elemente betrachtet. Wenn sie anfänglich vorgespannt werden, werden nur die Lastbedingungen der Spannglieder in die Gleichungen für den globalen Gleichgewichtszustand eingeschlossen. Nach der Verankerung wird die zusätzliche Steifigkeit der Spannglieder berücksichtigt. Es können sowohl Spannglieder mit als auch Spannglieder ohne Verbund modelliert werden. Die Langzeitverluste werden automatisch in die Analyse eingeschlossen. Wenn ein Element entfernt oder eine Randbedingung geändert wird, werden automatisch die Schnittgrößen des Elements und die geeignete Reaktion zum Lastenvektorinkrement hinzugefügt.

Die Gesamtbetondehnung zum einem gegebenen Zeitpunkt ist in drei Teile unterteilt:

• durch Spannung verursachte Dehnung
• Schwinden
• Wärmedehnung

Schwinden und Temperaturdehnungen sind nicht spannungsabhängig. Das Schwinden eines Strukturbauteils wird unter Berücksichtigung der Durchschnittseigenschaften eines gegebenen Querschnitts und der relativen Feuchte und der Bauteilgröße geschätzt. Die durch Spannung verursachte Dehnung besteht aus der elastischen sofortigen Dehnung und der Kriechdehnung. Die altersbedingte Entwicklung des Elastizitätsmoduls im Laufe der Zeit wird berücksichtigt. Das Vorhersagemodell für Kriechen basiert auf der Annahme der Linearität zwischen den Dehnungen und Spannungen, um die Anwendbarkeit der linearen Überlagerung zu gewährleisten. Die numerische Lösung basiert auf dem Ersetzen des Stieltjesintegrals durch eine endliche Summe. Das allgemeine Problem des Kriechens wird so in eine Reihe Elastizitätsprobleme konvertiert. Die Berechnung des Kriechens basiert außerdem auf den Durchschnittseigenschaften eines gegebenen Querschnitts. Die Auswirkungen von Kriechen, Schwinden und Alterung können gemäß den Bemessungsempfehlungen der folgenden Regelwerke berücksichtigt werden:

• EUROCODE 2,
• ČSN 73 1201 and ČSN 73 6207,
• ÖNORM B4700,
• DIN 1045-1,
• NEN.

Das Verfahren berücksichtigt den Spannungsverlauf, erfordert keine Iteration in einem Einzelschritt und schränkt die Art der Kriechfunktion nicht ein.

Implementierung von Bauphasen und ZAA

Die ZAA ist eng mit der Analyse der Bauphasen in SCIA Engineer verknüpft. In der Analyse der Bauphasen werden jedoch die rheologischen Effekte nicht berücksichtigt. „Lastfälle“ und „Lastfallkombinationen“ sind aber die Grundbausteine sowohl für die ZAA als auch für die Analyse der Bauphasen. Die Analyse der Bauphasen ist zeitunabhängig. Die Phasen sind dabei nur der Form halber mit einem Zeitknoten verknüpft.

Die Inkremente der Eigenlast in jeder Bauphase (Bau oder Service) und die Ergebnisse (Inkremente der durch diese Belastung verursachten Schnittgrößen und Verformungen) werden in getrennten Lastfällen gespeichert. Die Last wird als von unendlicher Dauer vorhanden (auf die Struktur angewendet) angenommen. Eine Entlastung muss als neue Last mit entgegengesetztem Vorzeichen modelliert werden. Beispiel: Die gesamten durch die Eigenlast verursachten Schnittgrößen in vorhandenen Strukturbauteilen nach der dritten Bauphase sind das Ergebnis der Kombination drei entsprechender Lastfälle. Dieser Kombination kann ein Lastfall hinzugefügt werden, der die Nutzlast darstellt.

 

Wenn in der Bauphase eine Vorspannung angewendet wird, muss ein zusätzlicher ständiger Lastfall angewendet werden. Dann werden in einer Bauphase zwei ständige Lastfälle definiert: einer für die Eigenlast und einer für die Vorspannung. Der Benutzer kann keine Lasten zum Vorspannungslastfall hinzufügen.

Bei der zeitabhängigen Analyse wird automatisch in jeder Bauphase ein zusätzlicher (leerer) Lastfall generiert. Diese Lastfälle dienen dem Speichern der Inkremente der Schnittgrößen und Verformungen, die durch Kriechen und Schwinden verursacht werden und für das verstrichene Zeitintervall berechnet wurden. Sie werden in SCIA Engineer als Kriechlastfälle gekennzeichnet.

Einige praktische Anwendungen des Moduls:

• Wisconsin Avenue Viaduct in Milwaukee, Wisconsin, USA, von CH2M Hill, Milwaukee, Wisconsin in Zusammenarbeit mit Charles Redfield und Prof. Jiri Strasky.
• Fertigteilsegmentstruktur mit ersetzbarer, vor Ort betonierten Brückenplatte einer Talbrücke in Plzen. Von Strasky, Husty and Partners, Brno, Tschechische Republik.
• Graduell vorgespannte Querbalken im Rahmen der Sazka Arena in Prag (Eishockey-Weltmeisterschaft 2004), von PPP Pardubice, Tschechische Republik.

 

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Erforderliche Module:

• sen.00