Das Gebäude befindet sich direkt über einer unterirdischen Struktur. Infolgedessen können einige Pfähle, die normalerweise unter den Stützen eingebaut würden, nicht errichtet werden. Um dies zu lösen, schlugen die Ingenieure den Einsatz von lasttragenden Wänden zur Unterstützung der betroffenen Stützen vor.
Die Bemessung von lasttragenden Wänden ist jedoch von Natur aus komplex, insbesondere wenn Öffnungen vorhanden sind. Darüber hinaus sind bei unterirdischen Strukturen die Anforderungen des Grenzzustands der Gebrauchstauglichkeit (GZG), wie z. B. die Rissbreitenbeschränkung, kritischer, da diese Strukturen mit dem Erdreich in Kontakt stehen und daher anfälliger für Dauerhaftigkeitsprobleme, einschließlich Korrosion, sind. Bewährte Bemessungsmethoden, wie die Strebe-und-Zugband-Methode, befassen sich in erster Linie mit den Anforderungen des Grenzzustands der Tragfähigkeit (GZT), decken jedoch das GZG-Verhalten nicht ausreichend ab.
Bemessung lasttragender Wände
Die Bemessung lasttragender Wände ist ein komplexes Thema, da sie sich häufig wie D-Bereiche verhält, bei denen die Annahme eines ebenen Querschnitts nicht gültig ist und daher die in Bemessungsnormen enthaltenen empirischen Formeln nicht angewendet werden können. Dies bedeutet, dass die Bemessungsfunktion in globaler FEA-Software, die häufig eine Träger- oder Stützenbemessungsannahme verwendet, für dieses Problem nicht geeignet ist.
Bei der oben dargestellten Wand haben Ingenieure zwei Möglichkeiten zur Bemessung der Wand. Eine Möglichkeit ist die Verwendung der Strebe-und-Zugband-Methode. Obwohl dies eine gute und geeignete Methode ist, ist damit viel manuelle Arbeit und ein iteratives Vorgehen verbunden, was zeitaufwändig sein kann. Die zweite Möglichkeit ist die Verwendung einer Näherung in globaler FEA-Software durch Auswertung der Hauptzugspannungen zur Bestimmung der Bewehrungsanforderungen und Überprüfung, ob die Hauptdruckspannungen unterhalb der Bemessungsfestigkeit des Betons bleiben.
Option zwei erscheint wie eine praktischere und zeiteffizientere Wahl, birgt jedoch eine verborgene Gefahr.
IDEA StatiCa Detail
IDEA StatiCa Detail verwendet das CSFM (Kompatibles Spannungsfeldverfahren), das sowohl B-Bereiche als auch D-Bereiche präzise erfassen kann. Detail berücksichtigt in seiner Analyse auch Druckerweichungseffekte durch Verwendung eines kc2-Faktors und liefert daher eine realistischere und sicherere Bewertung der Druckstrebenkapazität des Betons.
IDEA StatiCa 25.1 bietet den Import von Wandelementen aus ETABS in IDEA StatiCa Detail. Durch die Nutzung dieses BIM Links können Ingenieure Wände aus ETABS einfach für eine gründlichere Analyse in IDEA StatiCa Detail importieren.
Unten dargestellt ist dieselbe Wand, die aus ETABS importiert und in IDEA StatiCa Detail analysiert wurde. In der oberen linken Ecke ist zu sehen, dass die GZT-Analyse mit der gegebenen Grundbewehrung ein Versagen anzeigt, obwohl die Druckspannungen ähnlich sind (ca. 17 MPa). Warum ist das so?
Dieses GZT-Versagen wird durch die Berücksichtigung des Druckerweichungseffekts durch den kc2-Faktor verursacht, der die Betonkapazität um den Faktor 0,87 reduziert. Daher beträgt die Betonkapazität nun σc,lim = fcd x k2 = 20 x 0,87 = 17,4 MPa. Deshalb wird bei einer Druckspannung von 17 MPa die Ausnutzung (σc/σc,lim) mit 99,5 % angegeben. Was ist also dieser Druckerweichungseffekt?
Druckerweichung
Wenn Beton unter starkem Druck steht, treten häufig Dehnungen in der senkrechten Richtung auf, was als Querzug bezeichnet wird. Sobald dies geschieht, beginnen sich kleine Risse zu bilden, und der Beton wird weniger eingeschränkt und schwächer auf Druck. Dieser Effekt, bekannt als Druckerweichung, bedeutet, dass gerissener Beton nicht so viel Druckkraft aufnehmen kann wie ungerissener Beton. In der Bemessungsnorm wird dieser Effekt beispielsweise bei der Bemessung eines wandartigen Trägers berücksichtigt. Bei Druckstreben und Knoten in wandartigen Trägern wird ein Faktor k im Eurocode (oder β in ACI) mit unterschiedlichen Werten, je nach Situation, verwendet, um die maximale Druckkapazität des Betons aufgrund des Druckerweichungseffekts zu reduzieren. Bei der Verwendung von IDEA StatiCa Detail wird dieser Abminderungsfaktor kc2 automatisch berechnet, basierend auf dem tatsächlichen Spannungszustand.
Die Lösung
Die Lösung besteht darin, zusätzliche Bewehrungsstäbe hinzuzufügen, um einen Teil der Druckspannung vom Beton abzuleiten. Auf diese Weise kann die lasttragende Wand den Normnachweis bestehen, wie unten dargestellt. Die Anforderung, zusätzliche Druckbewehrung hinzuzufügen, würde andernfalls übersehen werden, wenn Ingenieure IDEA StatiCa Detail nicht verwenden würden.
Falls noch nicht bemerkt: In der oberen linken Ecke wird auch das GZG-Ergebnis, das Spannungsbeschränkung, Durchbiegung (mit Langzeiteffekt) und Rissbreite umfasst, in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt. Das GZG-Ergebnis ist etwas, das die beiden anderen oben beschriebenen Ansätze nicht liefern können.
Durch die Verwendung von IDEA StatiCa Detail können Ingenieure vollständig informiert sein, wie sich ihre lasttragende Wand verhält – nicht nur im GZT, sondern auch im GZG.
Bericht
Sobald die Bemessung abgeschlossen ist, können Ingenieure einen umfassenden Bericht erstellen, der alle Analyseergebnisse zur Einreichung enthält. Darüber hinaus kann auch eine Stückliste für die Bewehrungsstäbe für Fertigungszwecke erstellt werden.
Fazit
Die Bemessung lasttragender Wände erfordert sorgfältige Beachtung der komplexen Spannungswechselwirkungen, die in D-Bereichen auftreten. Vereinfachte Ansätze oder die direkte Verwendung globaler FEA-Ergebnisse können wichtige Effekte wie die Druckerweichung übersehen, was zu einer Überschätzung der Betonkapazität führt. Durch die Verwendung von IDEA StatiCa Detail und seiner CSFM-basierten Analyse können Ingenieure diese nichtlinearen Verhaltensweisen präzise berücksichtigen und sicherstellen, dass sowohl GZT- als auch GZG-Anforderungen ordnungsgemäß nachgewiesen werden.
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