Einführung
Als praktisches Anwendungsgebiet von Holz – Beton – Verbundbalken ist insbesondere die Sanierung von Wohnbauten mit Holzbalkendecken zu sehen. Solche Deckenkonstruktionen sind in fast allen vor 1914 errichteten Wohngebäuden vorzufinden. Bedingt durch Änderungen des statischen Systems, durch Nutzungsänderungen oder gestiegene Anforderungen an die bauphysikalischen Eigenschaften (Schallschutz, Brandschutz) und an die Gebrauchstauglichkeit (Durchbiegung, Schwingungen) wird bei der Instandsetzung solcher Decken einerseits
eine Erhöhung der Masse und andererseits eine Erhöhung der Tragfähigkeit und Steifigkeit notwendig. Eine praktikable und effiziente Lösung stellt das Aufbringen einer mineralischen Tragschicht auf die Ebene über den Balken unter Gewährleistung
eines schubkraftübertragenden Verbundes dar. Der Gedanke einer Verbundkonstruktion die Materialien entsprechend ihrer besonderen Eigenschaften einzusetzen, wird dadurch Rechnung getragen. Die untenliegenden Holzbalken werden vorrangig auf Biegezug
und die obere Tragschicht aus Estrich oder Beton auf Biegedruck beansprucht. Um eine Schubkraftübertragung zwischen den beiden Querschnitten zu erzeugen, bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Die Holzbalken können entlang ihrer Längsachse vor dem Aufbringen des Estrich mit Schrauben oder Nagelplatten versehen werden welchen später in den Estrich hineinragen und so den punktuellen und somit partiellen Verbund herstellen. Einfluss auf die Fähigkeit, die Schubkraft zu übertragen, haben der Winkel
unter dem die Schrauben eingebracht werden und die Anordnung. Eine ähnliche Wirkung haben in den Holzbalken eingebrachte Ausfräsungen, welche mit dem mineralischen Gemisch zugesetzt werden und so eine schubkraftübertragende Verbindung erzeugen. Solche Beton- oder Estrichnocken werden mit Betonstabstahl, der ähnlich wie die Schrauben in den Balken eingebaut wird, bewährt.
[...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
2. Das Modell
2.1. Die Finite – Elemente – Methode und das ANSYS Programmsystem
2.2. Der Preprocessor
2.2.1. Die Elementtypen
2.2.2 Die Variablen
2.2.3 Die Modellgenerierung
2.3 Das Lösungsmodul
2.3.2 Die Randbedingungen
2.3.3 Die Lasten
2.3.4 Die Lösung
2.4. Der Postprocessor
3 Vergleich der Ergebnisse
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, ein Finite-Elemente-Modell für Holz-Beton-Verbundträger zu entwickeln, um deren elastisches Beanspruchungs- und Verformungsverhalten unter verschiedenen geometrischen und materiellen Bedingungen zu untersuchen.
- Entwicklung eines FE-Modells für Verbundträger
- Analyse des elastischen Beanspruchungs- und Verformungsverhaltens
- Simulation von unterschiedlichen Verbundsteifigkeiten
- Vergleich der FE-Ergebnisse mit einer numerischen Differentialgleichungsmethode
Auszug aus dem Buch
Die Finite – Elemente – Methode und das ANSYS Programmsystem
Die Finite – Elemente – Methode (FEM) ist ein numerisches Berechnungsverfahren, mit dessen Hilfe örtliche Beanspruchungen (z.B. Spannungen und Verformungen) als Folge von äußeren Belastungen mit großer Genauigkeit ermittelt werden können. Der Grundgedanke dieses Verfahrens, komplexe Strukturen in einfacher zu berechnende Teile zu zerlegen, ist sehr alt. Bereits Leonardo da Vinci hatte die Idee, zur Berechnung eines Torbogens diesen in einfache geometrische Grundkörper (Finite Elemente) zu zerlegen. Deren Strukturverhalten lässt sich besser beschreiben, als das komplizierter Formen. Bei bekanntem Verhalten der Teilstrukturen erhält man über Kopplungs- und Randbedingungen die Lösung für das Gesamtsystem. Und das von praktisch allen Strukturen und Konstruktionen bei beliebigen Einwirkungen. Differentialgleichungen beschreiben das Verhalten von Strukturen unter bestimmten physikalischen Gesichtspunkten (z.B. Verformungsverhalten, Temperaturfeld, magnetisches Feld). Zur Lösung solcher, in der Regel sehr komplexen Gleichungen, werden Näherungsverfahren verwendet. Diese beruhen darauf, dass für die charakteristischen Größen dieser Differentialgleichungen, wie z.B. Verformungen, Ansatzfunktionen definiert werden, die umso niedrigerer Ordnung sein können, je einfacher die abzubildende Struktur ist.
Der Lösungsansatz des Gesamtsystems setzt sich aus den Ansätzen der Teilsysteme zusammen. Infolge der breiten Anwendungsmöglichkeiten und der Entwicklung von immer leistungsfähigeren Computersystemen, zur Lösung der je nach Komplexität und Umfang des Problems sehr großen Gleichungssysteme, hat sich die Finite-Elemente Methode in den letzten Jahren zu dem am meisten angewandten numerischen Berechnungsverfahren im ingenieurtechnischen Bereich entwickelt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Es wird die Relevanz von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen für die Sanierung von Altbauten erläutert und die Notwendigkeit eines FE-Modells zur Untersuchung ihres Verhaltens begründet.
2. Das Modell: Dieser Teil beschreibt detailliert die theoretischen Grundlagen der FEM, die Wahl der Elementtypen, die Definition von Variablen sowie die Modellgenerierung und Lösungsstrategien innerhalb der Software ANSYS.
2.1. Die Finite – Elemente – Methode und das ANSYS Programmsystem: Das Kapitel führt in die numerischen Grundlagen der FEM ein und erläutert den Einsatz der Software ANSYS als Werkzeug zur Berechnung.
2.2. Der Preprocessor: Hier werden die Prozesse zur Elementauswahl, Definition der Geometrie und Vernetzung innerhalb des Preprocessors dargelegt.
2.2.1. Die Elementtypen: Eine detaillierte Übersicht über die im Modell verwendeten spezifischen Elemente wie SOLID64, SOLID45, COMBIN14, LINK8 sowie die Kontaktelemente TARGE170 und CONTA173.
2.2.2 Die Variablen: Dieses Kapitel behandelt die Definition von nutzerseitigen und abgeleiteten Variablen, die eine flexible Anpassung der Geometrie und Materialeigenschaften ermöglichen.
2.2.3 Die Modellgenerierung: Die Vorgehensweise bei der direkten Modellgenerierung mittels verschachtelter Schleifen und die Automatisierung der Vernetzung werden hier erklärt.
2.3 Das Lösungsmodul: Es wird erläutert, wie Randbedingungen festgelegt, Lasten aufgebracht und die rechnerische Lösung des FE-Gleichungssystems gesteuert wird.
2.3.2 Die Randbedingungen: Beschreibung der Lagerung des Verbundbalkens als Einfeldträger sowie der Festlegungen der Freiheitsgrade an den Knoten.
2.3.3 Die Lasten: Das Kapitel erläutert die Implementierung der Linienlast und die Verteilung der Gesamtlast auf die Modellflächen.
2.3.4 Die Lösung: Hier werden die Einstellungen zur statischen Analyse sowie die Abbruchkriterien der Gleichgewichtsiterationen definiert.
2.4. Der Postprocessor: Dieser Abschnitt beschreibt die methodische Auswertung der primären und sekundären Ergebnisdaten wie Verschiebungen und Normalspannungen.
3 Vergleich der Ergebnisse: Es erfolgt eine Gegenüberstellung der FE-Berechnungsergebnisse mit Werten der numerischen Differentialgleichungsmethode zur Validierung des Modells.
Schlüsselwörter
Holz-Beton-Verbund, Finite-Elemente-Methode, ANSYS, Tragverhalten, Schubkraftübertragung, Biegeträger, Estrich, Vernetzung, Verformung, Normalspannung, Modellierung, Strukturmechanik, Verbundsteifigkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation von Holz-Beton-Verbundbalken mittels der Finite-Elemente-Methode zur Ermittlung ihres mechanischen Verhaltens.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Modellierung von Verbundkonstruktionen, die Auswahl geeigneter FE-Elemente sowie die Validierung der numerischen Ergebnisse durch Vergleiche mit bekannten Verfahren.
Was ist das primäre Ziel?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung eines FE-Modells, das elastische Verformungen und Spannungen bei unterschiedlichen Verbundsteifigkeiten realitätsnah abbilden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, implementiert über das Programmsystem ANSYS.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Modellbeschreibung (Preprocessing), die Lösungsstrategie (Solution) und die Ergebnisauswertung (Postprocessing) sowie den anschließenden Abgleich mit Vergleichswerten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Holz-Beton-Verbund, Finite-Elemente-Methode, Verbundsteifigkeit, Tragverhalten und ANSYS.
Wie werden die Verbindungsmittel im Modell abgebildet?
Die Verbindungsmittel werden durch eine Kombination aus Federelementen (COMBIN14) für die Längs- und Querrichtungen sowie Stabelementen (LINK8) für die z-Richtung simuliert.
Wie wird die Interaktion zwischen den Materialien realisiert?
Die Interaktion zwischen Balken, Bohlen und Estrich erfolgt über dreidimensionale Kontaktelemente (TARGE170 und CONTA173), die ein Gleiten und den Kontakt zwischen den Oberflächen ermöglichen.
- Quote paper
- Gordon Geissler (Author), 2001, Verbundquerschnitte aus mineralischer Tragschicht und Holz - Erstellung eines FE-Modells zur Ermittlung charakteristischer Verformungen und Spannungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1034
