Membrantragwerke unterscheiden sich deutlich von klassischen Stahlkonstruktionen wie Lagerhallen oder Rahmentragwerken. Maste stehen geneigt im Raum, Seile greifen aus unterschiedlichen Richtungen an, und die Anschlüsse haben eine komplexe räumliche Geometrie. Diese Aufgabe stand im Mittelpunkt eines aktuellen Webinars über Membrantragwerke und ihre Stahlanschlüsse, gemeinsam mit ixRay, dem Unternehmen hinter der Software ixCube 4-10.
Der Ablauf beginnt wie gewohnt: ein globales Modell, einige Lastfälle und eine grundlegende Detailzeichnung. Die eigentliche Herausforderung zeigt sich erst bei der Modellierung der Knoten.
Globale Berechnung in ixCube 4-10
Die globale Berechnung des Membrantragwerks aus Masten, Seilen und Membran erfolgte im Webinar in ixCube 4-10. Dazu gehörten die Formfindung, die Aufbereitung der Lastfälle und die Prüfung der Verformungen.
Für die Anschlussbemessung werden die Knoten mit IDEA StatiCa Checkbot übernommen. Die BIM-Schnittstelle überträgt Geometrie, Querschnitte und Lastkombinationen direkt aus ixCube 4-10 nach IDEA StatiCa. Schnittgrößen müssen nicht manuell eingegeben und Koordinatensysteme nicht manuell abgeglichen werden.
Räumliche Geometrie der Knoten
Sobald die Knoten importiert waren, wurde der Unterschied zwischen Membranverbindungen und „normalen" Stahldetails sofort deutlich.
Anders als bei Standard-Stahlkonstruktionen, wo sich Knoten wie Tapetenmuster wiederholen, war hier jeder Knoten ein Einzelstück. Mastköpfe mit Kabeln, die in seltsamen Winkeln ankommen, Verankerungsknoten mit Interaktion zum Beton, Bolzen hier, Exzentrizitäten überall.
Aber das Schlimmste ist: Diese Welt ist nicht orthogonal! Membrankonstruktionen sind ein räumliches Chaos, keine rechtwinkligen Bauteile, Platten sind selten rechteckig, Kräfte meist axial — bis sie es wegen der Winkel nicht mehr sind.
Statt eine Anschlussvorlage auszuwählen und Schraubenanzahlen anzupassen, erfolgt die Modellierung überwiegend über einzelne manuelle Operationen. Deutlich effizienter ist hier der Import der tatsächlich geformten Knotenbleche aus DXF-Dateien, anstatt die Bleche in der Anwendung zu konstruieren.
Aufwendig ist vor allem die Positionierung der Bleche im Raum, damit sie zu den Bauteilvektoren passen. Hier hilft die Option der Steifen-Operation, den Ursprung auf das Bauteil-LKS oder auf ein Blech zu beziehen. Die Feinjustierung erfolgt anschließend über die Versätze in X- und Y-Richtung sowie die Rotation. Dieser Schritt erfordert Zeit, führt aber zu einem geometrisch korrekten Modell.
Seile übertragen nur Zugkräfte
Vor der Berechnung ist eine weitere Anpassung erforderlich. Standardmäßig gehen Anschlussmodelle davon aus, dass Bauteile alle Schnittgrößenkomponenten übertragen. Für Träger und Stützen ist das zutreffend, für Seile nicht.
In Membrantragwerken nehmen Seile ausschließlich Zugkräfte auf: keine Biegemomente, keine Rotationssteifigkeit, keine Querkräfte. IDEA StatiCa Connection bietet kein eigenes Seilelement. Für den Anschlussnachweis ist das jedoch nicht erforderlich. Das Seil selbst und seine Spannvorrichtung liegen in der Verantwortung des Herstellers und sind bereits zertifiziert. Nachzuweisen ist der Knoten, in den die Seilkraft eingeleitet wird. Das Seil wird daher als Stab modelliert, , mit allen Parametern des über die BIM-Schnittstelle importierten Seils.
Bolzenanschlüsse statt Schraubenbilder
Viele Anschlüsse in Membrantragwerken werden über einen einzelnen Bolzen ausgeführt. IDEA StatiCa ermöglicht die Modellierung einer echten Ein-Bolzen-Verbindung durch eine Anpassung der Endlagerung der angeschlossenen Bauteile.
Dazu wird in den Bauteileigenschaften der Seilstäbe der Modelltyp auf N-Vy-Vzumgestellt. Damit werden am Stabende keine Momente übertragen. Da aus dem globalen FE-Modell nur Zugkräfte importiert werden, wirkt am Seilstab effektiv nur die Normalkraft. Diese Freigabe ist kein Kunstgriff, um die Nachweise zu erfüllen, sondern bildet das tatsächliche Tragverhalten ab.
Ohne diese Anpassung entsteht entweder ein Modell, das zwar rechnerisch funktioniert, aber physikalisch nicht zutreffend ist, oder, wahrscheinlicher, ein nicht berechenbarer Mechanismus. Die Berechnung endet dann mit der Meldung "Analyse 0%".
Nach diesen Anpassungen kann die Berechnung gestartet werden.
Ergebnisse der CBFEM-Berechnung
Die Ergebnisse umfassen die Nachweise nach Eurocode in der gewohnten Übersicht (erfüllt/nicht erfüllt) sowie einen PDF-Bericht für die Dokumentation. Zusätzlich zeigt die CBFEM-Berechnung Spannungsverläufe in unregelmäßig geformten Blechen, Spannungskonzentrationen an Bolzenlöchern und Verformungsfiguren. Diese lassen sich direkt mit der ingenieurmäßigen Erwartung abgleichen.
So ist erkennbar, welche Bleche tatsächlich Kräfte abtragen und welche kaum beansprucht sind.
Für Membrantragwerke ist diese Transparenz besonders wichtig. Bei diesen Details genügt ein erfüllter Nachweis allein nicht, das Tragverhalten muss nachvollziehbar sein. Manchmal ist die maßgebende Komponente eine andere als erwartet.
Fazit
Die Bemessung von Stahlanschlüssen für Membrantragwerke ist anspruchsvoll. Sie erfordert Präzision, die Berücksichtigung des tatsächlichen Tragverhaltens und den Verzicht auf vereinfachende Annahmen. Voraussetzung dafür sind Werkzeuge, mit denen sich die geplante Geometrie tatsächlich modellieren lässt.
IDEA StatiCa wurde ursprünglich nicht speziell für diese Art von Anschlüssen entwickelt. Mit den beschriebenen Modellierungstechniken, oder mit etwas Beratung, lassen sich solche Knoten dennoch gut abbilden und nachweisen.
Ressourcen
Die Beispieldateien zum Webinar lassen sich direkt in IDEA StatiCa öffnen und als Ausgangspunkt für eigene Projekte nutzen:
Oder sehen Sie sich die Webinar-Aufzeichnung an, in der der gesamte Arbeitsablauf erklärt wird.
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