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Support CenterTheoretische GrundlagenIDEA StatiCa Detail - Statische Bemessung von 3D-Diskontinuitäten in Beton
IDEA StatiCa Detail - Statische Bemessung von 3D-Diskontinuitäten in Beton
ConcreteReinforced concretePrestressed concreteTheoretical backgroundEN (Eurocode)

IDEA StatiCa Detail - Statische Bemessung von 3D-Diskontinuitäten in Beton

Dieser Artikel ist auch verfügbar in
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH

1 Einführung in das 3D-CSFM-Verfahren

1.1 Allgemeine Einführung in die Bemessung von 3D-Betondetails
1.2 Wesentliche Annahmen und Einschränkungen
1.3 Implementierung der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie in 3D CSFM
1.4 Allgemeine mechanische Annahmen für 3D CSFM

2 Berechnungsmodell von IDEA StatiCa 3D Detail

2.1 Einführung in die Implementierung der finiten Elemente
2.2 Allgemeine Typen finiter Elemente
2.3 Lasteinleitungselemente
2.4 Vernetzung in 3D CSFM
2.5 Lösungsverfahren und lastgesteuerter Algorithmus für 3D CSFM
2.6 Darstellung der 3D-Ergebnisse
2.7 Aus IDEA StatiCa Connection importiertes Modell

3 Modellverifizierung

3.1 Grenzzustände

4 Tragwerksbezogene Nachweise nach EUROCODE

4.1 Materialmodelle in 3D CSFM (EN)
4.2 Teilsicherheitsbeiwerte
4.3 Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit

5 Tragwerksbezogene Nachweise nach ACI 318-19

5.1 Materialmodelle in 3D CSFM (ACI)
5.2 Festigkeitsminderungs- und Lastfaktoren
5.3 Festigkeitsnachweise

6 Tragwerksbezogene Nachweise nach AASHTO

6.1 Materialmodelle in 3D CSFM (AASHTO)
6.2 Widerstands- und Lastfaktoren
6.3 Nachweise im Grenzzustand der Festigkeit

7 Tragwerksbezogene Nachweise nach AS 3600

7.1 Materialmodelle in 3D CSFM (AUS)
7.2 Spannungs- und Festigkeitsminderungsfaktoren sowie Lastfaktoren
7.3 Festigkeits- und Verankerungsnachweise

8 Tragwerksbezogene Nachweise nach CSA A23.3:24

8.1 Materialmodelle in 3D CSFM (CSA)
8.2 Widerstandsfaktoren und Lastfaktoren
8.3 Grenzzustand-der-Tragfähigkeit-in-Detail-3D

1 Einführung in das 3D-CSFM-Verfahren

1.1 Allgemeine Einführung in die Tragwerksplanung von Beton-3D-Details

In der Praxis begegnen Ingenieuren verschiedene Arten finiter Elemente (von einfachen 1D-Stabelementen bis zu komplexeren 3D-Volumenelementen). Sie werden in vielfältigen Anwendungen für die Analyse und Bemessung tragwerksbezogener Elemente eingesetzt. Ein gemeinsames Merkmal der meisten Berechnungen in der Praxis ist das lineare Verhalten der Modelle. Seine Vorteile sind zweifellos Schnelligkeit und Übersichtlichkeit. Hinzu kommt, dass diese Lösung für eine große Bandbreite an Problemen völlig ausreicht.

Gerade bei Betonstrukturen reicht der lineare Ansatz häufig nicht aus. Nach dem Auftreten der ersten Risse im belasteten Element werden die Spannungen umgelagert, und das Problem wird deutlich nichtlinear.

In diesen Fällen muss ein anspruchsvollerer Ansatz gewählt werden. Für 1D-Fälle finden sich oft analytische Verfahren, die direkt in den Normen definiert sind. Für ebene 2D-Elemente und Diskontinuitätsbereiche (D-Bereiche) können beispielsweise die beliebten Strebe-und-Zugband-Modelle aufgebaut werden. Alternativ kann das anspruchsvollere Spannungsfeldverfahren CSFM eingesetzt werden, das in IDEA StatiCa Detail implementiert ist.

Stößt der Ingenieur jedoch auf ein Problem, das sich nicht auf ebenes Verhalten vereinfachen lässt, sind die Möglichkeiten sehr begrenzt. Natürlich kann ein 3D-Strebe-und-Zugband-Modell aufgebaut oder halbwissenschaftliche Software für eine genaue Analyse verwendet werden. Diese Vorgehensweisen sind oft zeitaufwendig und nicht normgerecht. Außerdem erfordern sie einen Ingenieur mit Kenntnissen in fortgeschrittenen Modellierungsmethoden.

Aus diesem Grund hat IDEA StatiCa das 3D-CSFM (Kompatibles Spannungsfeldverfahren) in der Detail-Anwendung entwickelt und implementiert. Das 3D-CSFM erweitert das etablierte CSFM um die dritte Dimension. Es bietet eine schnelle und normgerechte Lösung, die vor allem für den Ingenieur im Alltag geeignet ist. So erhält er die neue Möglichkeit, komplexe Details von Betonstrukturen sicher zu bearbeiten.

1.2 Grundlegende Annahmen und Einschränkungen für CSFM in 3D

3D CSFM definiert das Betonverhalten auf Grundlage der modifizierten Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie für monotone Belastung. Das Verfahren berücksichtigt Betonhauptspannungen im Druckbereich und Bewehrungsspannungen (σsr) an den Rissen und vernachlässigt dabei die Betonzugfestigkeit (Zugabschneidung), mit Ausnahme ihres Versteifungseffekts auf die Bewehrung (Zugverfestigung).

σc1r, σc2r, σc3r ≤ 0 MPa

Die Bewehrungsstäbe sind über Verbundelemente mit den Volumen-Finite-Elementen des Betons verbunden, sodass ein Schlupf zwischen Beton und Bewehrung möglich ist. Es ist zu beachten, dass 3D CSFM nicht für die Simulation von unbewehrtem Beton geeignet ist, da keine Zugfestigkeit angesetzt wird. Dies kann zu irreführenden Verformungen und zur Divergenz des Modells führen. Im Allgemeinen enthält die Mohr-Coulomb-Theorie zwei grundlegende Eigenschaften, welche die Entwicklung der Plastizitätsfläche im Druckbereich und teilweise im Zugbereich bestimmen: den Winkel der inneren Reibung φ und den Kohäsionsparameter c. 3D CSFM setzt einen Winkel der inneren Reibung von null an (Abb. 1.2.1e). Das führt zu einer konservativen Bemessung, da die Plastizitätsfläche dem Tresca-Modell ähnelt, das unabhängig von der ersten Spannungsinvariante ist.

Fig. 1.2.1Basic assumptions of the 3D CSFM: (a) principal stresses in concrete; (b) stresses in the reinforcement direction;\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2.1\qquad Basic assumptions of the 3D CSFM: (a) principal stresses in concrete; (b) stresses in the reinforcement direction;}}}Fig. 1.2.1Basic assumptions of the 3D CSFM: (a) principal stresses in concrete; (b) stresses in the reinforcement direction; (c) stress-strain diagram of concrete in terms of maximum stresses; (d) stress-strain diagram of reinforcement\textsf{\textit{\footnotesize{(c) stress-strain diagram of concrete in terms of maximum stresses; (d) stress-strain diagram of reinforcement}}}(c) stress-strain diagram of concrete in terms of maximum stresses; (d) stress-strain diagram of reinforcement in terms of stresses at cracks and average strains; (e) Mohr’s circles for concrete model in 3D CSFM; (f) bond shear stress-slip\textsf{\textit{\footnotesize{in terms of stresses at cracks and average strains; (e) Mohr's circles for concrete model in 3D CSFM; (f) bond shear stress-slip}}}in terms of stresses at cracks and average strains; (e) Mohr’s circles for concrete model in 3D CSFM; (f) bond shear stress-slip relationship for anchorage length verifications.\textsf{\textit{\footnotesize{relationship for anchorage length verifications.}}}relationship for anchorage length verifications.

Beton 

Das dargestellte Materialmodell ist ein Mehrflächen-Plastizitätsmodell, das sich aus der Kombination der Modelle von Mohr-Coulomb und Rankine für monotone Belastung ergibt. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Modell die Entlastung nicht abbildet. Daher werden keine Zustandsvariablen gespeichert, wie dies bei klassischen Plastizitätsmodellen für zyklische Belastung der Fall wäre.

Fig. 1.2.2Mohr-Coulomb multi-surface plasticity model for friction angle 0 degree\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2.2\qquad Mohr-Coulomb multi-surface plasticity model for friction angle 0 degree}}}Fig. 1.2.2Mohr-Coulomb multi-surface plasticity model for friction angle 0 degree

Wie bereits erwähnt, ist das Materialmodell für Anwendungen vorgesehen, die das Verhalten von Stahlbeton berechnen (nicht geeignet für unbewehrten Beton). Der Grund dafür ist, dass Beton auf Zug nicht berücksichtigt wird. Daher ist das Modell auch nicht für tragwerksbezogene Elemente geeignet, bei denen die Bemessungsregeln für Stahlbeton, wie z. B. der Mindestbewehrungsgrad oder der maximale Stababstand, nicht erfüllt sind. Zusätzlich ist anzumerken, dass im Modell aus Gründen der numerischen Stabilität eine sehr geringe Zugtragfähigkeit definiert wird. Der Zugbereich wird durch Ebenen begrenzt, die dem Rankine-Modell entsprechen.

3D CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druck (d. h. es wird ein unendlich plastischer Ast nach Erreichen der Höchstspannung angesetzt). Diese Vereinfachung erlaubt es nicht, die Verformungsfähigkeit von Strukturen zu überprüfen, die auf Druck versagen. Ihre Traglast wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons durch den im fib Model Code 2010 definierten Abminderungsfaktor 𝜂𝑓𝑐 berücksichtigt wird. Dieser ist wie folgt definiert:

fc,red=ηfc⋅fcf_{c,red} = \eta _{fc} \cdot f_{c}fc,red​=ηfc​⋅fc​

ηfc=(30fc)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fc​30​)31​≤1

wobei:

fc die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des Betons ist (in MPa für die Definition von ηfc\eta_{fc}ηfc​).

Der Wert fc,red wird anschließend mit der äquivalenten Hauptspannung σc,eq im Beton verglichen, die weiter unten definiert wird, selbstverständlich unter Berücksichtigung aller in der Norm vorgeschriebenen Sicherheitsbeiwerte.

Eine detaillierte Beschreibung des Betonmodells finden Sie unter folgendem Link:

  • Betonmaterialmodell für 3D Detail

Bewehrung

Das bilineare Spannung-Dehnung-Diagramm für Bewehrungsstäbe, wie es in den Normen definiert ist (Abb. 1.2.1d), stellt ein idealisiertes Modell dar. Dieses Modell erfordert in der Bemessungsphase die Kenntnis der grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung, insbesondere der Festigkeits- und Duktilitätsklasse. Alternativ können Anwender eine benutzerdefinierte Spannung-Dehnung-Beziehung definieren.

Die Zugverfestigung wird berücksichtigt, indem die Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass sie die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) abbildet (Abb. 1.2.1b).

Verankerung

Der Verbundschlupf zwischen Bewehrung und Beton wird im Finite-Elemente-Modell durch die vereinfachte starr-ideal-plastische Werkstoffbeziehung eingeführt, die in (Abb. 1.2.1f) dargestellt ist. Dabei ist fbd der Bemessungswert (Rechenwert) der Verbundspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit, der in der Norm für die jeweiligen Verbundbedingungen angegeben ist.

Dies ist ein vereinfachtes Modell, dessen einziger Zweck der Nachweis der Verbundvorgaben nach den Normen ist (d. h. der Verankerung der Bewehrung). Die Reduzierung der Verankerungslänge bei Verwendung von Haken, Schlaufen und ähnlichen Stabformen kann durch die Definition einer bestimmten Tragfähigkeit am Ende der Bewehrung berücksichtigt werden, wie weiter unten beschrieben.

Anker

Das Ankerelement ist so definiert, dass es normale Zug- oder Druckkräfte sowie Querkräfte unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit übertragen kann. 

Die folgenden Ankertypen stehen zur Verfügung:

  • Ortbeton-Anker
    • Bewehrung
    • Unterlegplatte
    • Kopfbolzen
  • Ortbeton-Bewehrung
    • Bewehrung
    • Gewindestangen

Ortbeton – Bewehrung

Wird als gerippte Bewehrung modelliert, die im Beton eingebettet ist. Die Verbundfestigkeit wird nach den Regeln der gewählten Norm in gleicher Weise wie bei Standardbewehrung berechnet. Am Ankerende kann eine Verankerungsart definiert werden, die identisch zur Bewehrung funktioniert – es wird eine Verankerungsfeder mit dem β-Faktor nach der gewählten Norm angesetzt. Es stehen drei geometrische Formen zur Verfügung: Gerade, L-Form, U-Form.

Fig. 1.2.3Cast-in reinforcement anchor - shapes\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2.3\qquad Cast-in reinforcement anchor - shapes}}}Fig. 1.2.3Cast-in reinforcement anchor - shapes

Ortbeton – Unterlegplatte und Kopfbolzen

Die Unterlegplatte und der Kopf des Kopfbolzens werden als Platten-Schalen-Element aus dem entsprechenden Material modelliert, das direkt am Ankerschaft befestigt ist. Es überträgt die Last über einen reinen Druckkontakt in den Beton. Verfügbare Formen: kreisförmig und quadratisch (für den Kopfbolzen nur kreisförmig), mit anpassbaren Abmessungen. Das Modell der Unterlegpllatte und des Kopfes ist elastisch und wird nicht auf Tragfähigkeit nachgewiesen. 

Auf der Ebene des Finite-Elemente-Modells wird das Herausziehen des Ankers direkt nachgewiesen. Für den Druckkontakt sind Abbruchkriterien festgelegt, sodass er keine größere Kontaktspannung in den Beton übertragen kann, als die gewählte Norm vorschreibt. In der Praxis bedeutet das: Wird der Anker mit einer Kraft belastet, die den Nachweis des Auszugversagens nicht erfüllt, bricht die Berechnung vorzeitig ab, weil dieses Abbruchkriterium bei weiterer Laststeigerung überschritten würde.

Der Ankerschaft hat eine Verbundfestigkeit von null – die gesamte Last wird über die Platte oder den Kopf in den Beton übertragen.

Nachträglich eingebaut – Bewehrung und Gewindestange

Ausgeführt als Stäbe, die in Bohrlöcher eingesetzt und mit Mörtel verklebt werden. Der Ingenieur gibt die Bemessungswert der Verbundfestigkeit direkt aus der technischen Spezifikation des Mörtelprodukts an.

Materialmodell von Ankern aus Schraubenwerkstoff

Bei Ankern aus Schraubenwerkstoff (Gewindestangen und Anker mit Unterlegplatten) weichen zwei Eigenschaften des Materialmodells von den Nennwerten des Schraubenwerkstoffs ab: der Elastizitätsmodul und die Duktilität. Beide beschreiben das Verhalten der Schraubenbaugruppe und die Geometrie der Prüfkörper, an denen die Nennwerte gemessen werden. Sie sind unabhängig von der Norm und werden daher für alle Normen identisch angesetzt. Sowohl das nominelle Spannung-Dehnung-Diagramm des Schraubenwerkstoffs als auch das durch die Koeffizienten CE und CA modifizierte Diagramm werden in der Registerkarte Materialien angezeigt (Abb. 1.2.4).

Elastische Steifigkeit. Der Elastizitätsmodul des Schraubenwerkstoffs wird mit dem Koeffizienten CE abgemindert:

Eb=CE⋅E,CE=0.8E_{b} = C_{E} \cdot E , C_E=0.8Eb​=CE​⋅E,CE​=0.8

  • E - Elastizitätsmodul der Schraube
  • Eb - Elastizitätsmodul des in der Berechnung verwendeten Ankers

Dieser Ansatz wurde auf Grundlage aktueller Forschungsarbeiten übernommen (noch nicht veröffentlicht; die Quelle wird nach der Veröffentlichung ergänzt). Darin wurde der effektive Elastizitätsmodul der Schraubenbaugruppe mittels Finite-Elemente-Analyse anhand einer umfangreichen Datenbank von Schraubenversuchen kalibriert. Dies wird durch bereits veröffentlichte Versuchsergebnisse von Janković et al. (2025) bestätigt: In 66 Zugversuchen an 1000 mm langen Gewindestangen (M20 bis M30, Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9) entsprach die gemessene Anfangssteifigkeit 0,8·E·As/Lb. Das mittlere Verhältnis von vorhergesagter zu gemessener Steifigkeit betrug 0,98, der Variationskoeffizient 7,9 %. Bei Stangen dieser Länge ist der Einfluss der Muttern und des Gewindeeingriffs vernachlässigbar. Die Abminderung entspricht daher einem effektiven Elastizitätsmodul der Gewindestange selbst. Derselbe Faktor ist übrigens in der Steifigkeit einer auf Zug beanspruchten Schraube nach EN 1993-1-8 enthalten (Beiwert 1,6 für eine Schraubenreihe aus zwei Schrauben).

Duktilität. Die Duktilität des Schraubenwerkstoffs wird durch die Bruchdehnung A in Prozent charakterisiert, typischerweise etwa 10 %. Diese Werte werden an kurzen Probestäben gemessen, bei denen die lokale Einschnürung einen großen Teil der gemessenen Dehnung ausmacht. Die Länge der Einschnürzone hängt nicht von der Probenlänge ab, sodass die prozentuale Dehnung mit zunehmender Probenlänge abnimmt. Bei Ankern, die mehrere hundert Millimeter tief im Beton eingebettet sind, liegt sie wesentlich unter dem angegebenen Wert. Die Anwendung verwendet daher die abgeminderte Duktilität:

Ared=A/CAA_{red} = A/C_AAred​=A/CA​

CA=Ls/(0.177⋅Ls+2.19)C_{A} = L_s / (0.177 \cdot L_s + 2.19)CA​=Ls​/(0.177⋅Ls​+2.19)

  • A - Bruchdehnung des Schraubenwerkstoffs in Prozent
  • Ared - abgeminderte Duktilität, verwendet als Dehnungs-Abbruchkriterium des Ankers
  • CA - Abminderungsbeiwert der Duktilität
  • Ls - Einbettlänge des Ankers [mm]

Erreicht die Dehnung im Anker den Wert Ared, ist das Abbruchkriterium erfüllt und die Berechnung wird beendet, genauso wie bei den übrigen Abbruchkriterien von 3D CSFM.

Die Gleichung wurde auf Grundlage aktueller Forschungsarbeiten übernommen (noch nicht veröffentlicht; die Quelle wird nach der Veröffentlichung ergänzt). Diese liefern eine Näherung der plastischen Verformung einer Schraube bei ihrer Grenztragfähigkeit, kalibriert anhand einer umfangreichen Datenbank von Schraubenversuchen: Δu,p = A · (0,177 · L + 2,19), wobei L die verformte Länge der Schraube in mm ist. Der längenproportionale Term stellt die gleichmäßige Dehnung der Stange dar, der konstante Term den lokalen Beitrag der Einschnürung. In der Anwendung wird als diese Länge die Einbettlänge des Ankers Ls angesetzt. Die Division von Δu,p durch Ls ergibt die Dehnung A/CA. Der Beiwert CA steigt mit der Länge und nähert sich dem Grenzwert 1/0,177 = 5,65. Bei Einbettlängen von 200 mm und mehr überschreitet er 5,3, sodass die Duktilität des Ankers auf etwa ein Fünftel des Nennwerts reduziert wird, z. B. von 12 % auf etwa 2,2 % bei Ls = 300 mm.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2.4\qquad Stress-strain diagram of the bolt material in the Materials tab: nominal diagram and the diagram modified by the coefficients CE and CA}}}\]

Weitere Informationen zum Anschluss der einzelnen Ankertypen an die Fußplatte oder die einbetonierte Platte finden Sie im Kapitel Finite-Elemente-Typen - Lastübertragende Elemente. 

1.3 Implementierung der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie im 3D-CSFM

Im folgenden Kapitel betrachten wir, wie die Mohr-Coulomb-Theorie in 3D CSFM umgesetzt wird. Wir erklären, wie der Umschnürungseffekt (dreiachsiger Spannungszustand) berücksichtigt wird und wie die Vergleichshauptspannung σc,eq berechnet wird, die zur Bestimmung der Tragfähigkeit aus Sicht des Betons verwendet wird.

Einführung in die Theorie

Die Mohr-Coulomb-Theorie ist ein mathematisches Modell, das das Verhalten spröder Werkstoffe unter Querkraft- und Normalspannung beschreibt. Die meisten klassischen Baustoffe folgen dieser Regel zumindest in einem Teil ihrer Schubbruchhüllkurve. Im Allgemeinen gilt die Theorie für Werkstoffe, bei denen die Druckfestigkeit die Zugfestigkeit deutlich übersteigt.

Fig. 1.3.1Mohr-Coulomb Plasticity Model \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3.1\qquad Mohr-Coulomb Plasticity Model }}}Fig. 1.3.1Mohr-Coulomb Plasticity Model 

Im Tragwerksbau wird sie verwendet, um die Bruchlast sowie den Bruchwinkel für die Verschiebung der Bruchfläche in Beton und ähnlichen Werkstoffen zu bestimmen. Die Coulombsche Reibungshypothese dient dazu, die Kombination aus Querkraft- und Normalspannung zu bestimmen, die zum Bruch des Werkstoffs führt. Der Mohrsche Spannungskreis wird verwendet, um zu bestimmen, welche Hauptspannungen diese Kombination aus Querkraft- und Normalspannung erzeugen und unter welchem Winkel die zugehörige Ebene liegt. Nach dem Normalitätsprinzip steht die beim Versagen auftretende Spannung senkrecht zu der Linie, die den Bruchzustand beschreibt. 

Fig. 1.3.2Meridian plane and tension cut-off\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3.2\qquad Meridian plane and tension cut-off}}}Fig. 1.3.2Meridian plane and tension cut-off

Es lässt sich zeigen, dass bei einem Werkstoff, der nach der Coulombschen Reibungshypothese versagt, die beim Versagen auftretende Verschiebung mit der Bruchlinie einen Winkel bildet, der dem Reibungswinkel entspricht. Dadurch lässt sich die Festigkeit des Werkstoffs bestimmen, indem die äußere mechanische Arbeit, die durch die Verschiebung und die äußere Last eingebracht wird, mit der inneren mechanischen Arbeit verglichen wird, die durch die Dehnung und Spannung an der Bruchlinie entsteht. Nach dem Energieerhaltungssatz muss die Summe dieser Arbeiten null ergeben, wodurch die Bruchlast der Konstruktion berechnet werden kann.

Umsetzung in 3D CSFM

Für einen gegebenen Winkel der inneren Reibung des Betons, der in Referenz [1], [2], [3], [4] bei etwa φ = 30-40° liegt, sowie für die Zug- und Druckfestigkeit des Betons lassen sich die Mohrschen Spannungskreise wie in Abbildung 1.3.3 konstruieren.

Fig. 1.3.3Mohr’s circles for concrete\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3.3\qquad Mohr's circles for concrete}}}Fig. 1.3.3Mohr’s circles for concrete

Dabei ist fc die Druckfestigkeit des Betons, fct die Zugfestigkeit des Betons, φ der Winkel der inneren Reibung und σc1, σc3 sind die Hauptspannungen des Betons unter dreiachsigem Druck.

Es ist zu erkennen, dass mit zunehmender Hauptspannung σc3 auch die maximal mögliche Differenz zwischen den Werten σc3 und σc1 zunimmt, die wir als maximales σc,eq definieren (siehe unten). Diese Differenz entspricht dem Doppelten der in der Literatur als Radius der Mohrschen Spannungskreise definierten deviatorischen Spannung.

In 3D CSFM, wie es in IDEA StatiCa Detail umgesetzt ist, wird der Winkel der inneren Reibung mit φ = 0°, angesetzt, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Fig. 1.3.4Mohr’s circles for concrete implemented in IDEA StatiCa Detail\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3.4\qquad Mohr's circles for concrete implemented in IDEA StatiCa Detail}}}Fig. 1.3.4Mohr’s circles for concrete implemented in IDEA StatiCa Detail

Die praktische Folge dieser Umsetzung ist, dass die maximale Differenz zwischen σc3 und σc1 bei zunehmendem σc3 konstant bleibt. 

Die Vergleichshauptspannung drückt die äquivalente einachsige Spannung für einen allgemeinen dreiachsigen Spannungszustand aus.

σc,eq=σc3−σc1\sigma_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1}σc,eq​=σc3​−σc1​

Der Wert σc,eq kann daher direkt mit den einachsigen Festigkeitsgrenzen nach den Normen verglichen werden.

σc,eqσc,lim≤1\frac{\sigma_{c,eq} }{ \sigma_{c,lim}} \le 1σc,lim​σc,eq​​≤1

Dabei ist σc,lim der Bemessungswert (mit Teilsicherheitsbeiwerten abgeminderte Wert) der einachsigen Festigkeit des Betons fc.

Vergleicht man Abbildung 1.3.3, in der der reale Winkel der inneren Reibung verwendet wird, mit Abbildung 1.3.4, die die Umsetzung der Mohr-Coulomb-Theorie mit einem Winkel der inneren Reibung von null zeigt, so wird deutlich, dass der für die Berechnungen in Detail gewählte Ansatz für die Bewertung des dreiachsigen Spannungszustands sehr konservativ ist.

Zum besseren Verständnis der Bereiche, die von dreiachsigem Druck betroffen sind, wurde in der IDEA StatiCa Detail-Anwendung der Ausdruck für die Erhöhung der effektiven Materialfestigkeit infolge dreiachsigen Drucks als Verhältnis σc3/σc,lim ergänzt. Dieses Verhältnis finden Sie im Normnachweis der Festigkeit.

In den Hilfsergebnissen findet der Anwender außerdem den Faktor κ, der die Dreiachsigkeit auf andere Weise beschreibt. 

κ=  σc3σc,eq\kappa =   \frac{ \sigma_{c3}}{ \sigma_{c,eq}}κ=  σc,eq​σc3​​

Der Nachweis der Betonfestigkeit kann dann wie folgt umgeschrieben werden:

σc,eqσc,lim=σc,3κ⋅σc,lim≤1\frac{\sigma_{c,eq} }{ \sigma_{c,lim}} = \frac{\sigma_{c,3} }{ \kappa \cdot \sigma_{c,lim}} \le 1σc,lim​σc,eq​​=κ⋅σc,lim​σc,3​​≤1

Aus dem Vorangegangenen folgt: Befindet sich das Element unter hydrostatischer Spannung – σc3=σc2=σc1, so hat die Vergleichshauptspannung σc,eq den Wert null, und der Kappa-Faktor geht gegen unendlich.

Weitere Informationen finden Sie hier: Dreiachsiger Spannungszustand – der aktive Umschnürungseffekt

1.4 Allgemeine mechanische Annahmen für das 3D-CSFM

Gleichgewichtsgleichungen

Die Theorie kleiner Verformungen ermöglicht es, die Gleichgewichtsgleichung am unverformten Volumen mit einem Ansatz erster Ordnung aufzustellen. 

Fig. 1.4.1Equilibrium equations and graphical representation on infinitesimal element\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4.1\qquad Equilibrium equations and graphical representation on infinitesimal element}}}Fig. 1.4.1Equilibrium equations and graphical representation on infinitesimal element

Kompatibilitätsgleichungen

Ein Festkörper besteht aus infinitesimalen Volumenelementen oder Materialpunkten, die jeweils lückenlos und überlappungsfrei miteinander verbunden sind. Es müssen mathematische Bedingungen eingehalten werden, um das Auftreten von Lücken oder Überlappungen zu verhindern, wenn sich ein Kontinuum verformt.

Konstitutive Gleichungen

Die konstitutiven Gleichungen, die das Verhalten von 3D-Elementen beschreiben, spielen bei der Analyse des Materialverhaltens in der Baumechanik eine zentrale Rolle. Diese Gleichungen sind so formuliert, dass sie das nichtlineare isotrope Verhalten abbilden, das für Volumenkörper-Bauteile in IDEA StatiCa Detail gilt. 

Fig. 1.4.2Linearly elastic isotropic compliance matrix\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4.2\qquad Linearly elastic isotropic compliance matrix}}}Fig. 1.4.2Linearly elastic isotropic compliance matrix


2 Berechnungsmodell von IDEA StatiCa 3D Detail

**2.1 Eine Einführung in die Implementierung der finiten Elemente**

Das 3D-CSFM berücksichtigt kontinuierliche Spannungsfelder im Beton (3D-Finite-Elemente), ergänzt durch diskrete „Stab“-Elemente, welche die Bewehrung abbilden (1D-Finite-Elemente). Daher ist die Bewehrung nicht diffus in die 3D-Finite-Elemente des Betons eingebettet, sondern explizit modelliert und mit diesen verbunden. 

Fig. 2.1.1Rendering of the calculation model for concrete block and out-of-plane wall\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.1.1\qquad Rendering of the calculation model for concrete block and out-of-plane wall}}}Fig. 2.1.1Rendering of the calculation model for concrete block and out-of-plane wall

2.2 Allgemeine Finite-Elemente-Typen

Das nichtlineare (inelastische) Finite-Elemente-Analysemodell wird aus mehreren Typen finiter Elemente erstellt, mit denen Beton, Bewehrung und der Verbund zwischen beiden modelliert werden. Beton- und Bewehrungselemente werden zunächst unabhängig voneinander vernetzt und anschließend mithilfe von Mehrpunkt-Randbedingungen (MPC-Elemente) miteinander verbunden. Dadurch kann die Bewehrung jede beliebige Position einnehmen und ist nicht auf die Knoten des Tetraedernetzes beschränkt. Zum Nachweis der Verankerungslänge werden zwischen der Bewehrung und den MPC-Elementen Verbund- und Verankerungsendfederelemente eingefügt.

Fig. 2.2.1Finite element model: reinforcement elements mapped to concrete mesh using MPC and bond elements\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.2.1\qquad Finite element model: reinforcement elements mapped to concrete mesh using MPC and bond elements}}}Fig. 2.2.1Finite element model: reinforcement elements mapped to concrete mesh using MPC and bond elements

Beton

Beton wird mit gemischten Tetraederelementen mit Knotenrotationen analysiert. Die Tetraederelemente ermöglichen es, Bereiche beliebiger Topologie zu vernetzen. Die implementierte Formulierung garantiert dabei genaue Verformungsergebnisse (ohne parasitäre Schubspannungen, bekannt als Schubversteifung bzw. Shear-Lock-Effekt), selbst bei einem groben Netz, das für die Formulierung linearer Tetraederelemente nicht geeignet wäre. 

Es wird eine volle Integration verwendet. Das bedeutet, dass jedes Element mit vier Integrationspunkten innerhalb des Volumens ausgestattet ist. Eine solche Integration liefert ein präzises Dehnungs- und Spannungsfeld und ermöglicht eine ausreichende Auswertung und Darstellung der Ergebnisse über das gesamte Volumen. Anschließend werden die Abbruchkriterien anhand des Wertes im Integrationspunkt festgelegt.

Bewehrung

Bewehrungsstäbe werden durch zweiknotige 1D-„Stab“-Elemente (CROD) modelliert, die nur eine Axialsteifigkeit besitzen. Diese Elemente sind mit speziellen „Verbund“-Elementen verbunden, die entwickelt wurden, um das Schlupfverhalten zwischen einem Bewehrungsstab und dem umgebenden Beton zu modellieren. Diese Verbundelemente werden anschließend durch MPC-Elemente (Mehrpunkt-Randbedingung) mit dem Netz verbunden, das den Beton darstellt. Dieser Ansatz ermöglicht die unabhängige Vernetzung von Bewehrung und Beton, während ihre Verbindung später sichergestellt wird.

Verbundelemente

Die Verankerungslänge wird nachgewiesen, indem die Verbundschubspannungen zwischen Betonelementen (3D) und Bewehrungsstabelementen (1D) im Finite-Elemente-Modell berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck wurde der finite Elementtyp „Verbund“ entwickelt.

Das Verbundelement ist als finites Schalenelement definiert, das mit der ersten Lage an die Elemente der Bewehrung und mit der zweiten Lage über Mehrpunkt-Randbedingungen (MPC-Elemente) an das Betonnetz angeschlossen ist. Es ist zu beachten, dass das Verbundelement in diesem Artikel stets mit einer von null verschiedenen Höhe dargestellt wird, die im Modell jedoch als infinitesimal definiert ist.

Das Verhalten dieses Elements wird durch die Verbundspannung τb als bilineare Funktion des Schlupfes zwischen dem oberen und dem unteren Knoten, δu, beschrieben, siehe (Fig. 2.2.2).

Fig. 2.2.2(a) Conceptual illustration of the deformation of a bond element; (b) shear-deformation function\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.2.2\qquad (a) Conceptual illustration of the deformation of a bond element; (b) shear-deformation function}}}Fig. 2.2.2(a) Conceptual illustration of the deformation of a bond element; (b) shear-deformation function

Der elastische Steifigkeitsmodul der Verbund-Schlupf-Beziehung, Gb, ist wie folgt definiert:

Gb=kg⋅EcØG_b = k_g \cdot \frac{E_c}{Ø}Gb​=kg​⋅ØEc​​

kg            Beiwert in Abhängigkeit von der Oberfläche des Bewehrungsstabes (standardmäßig kg = 0,2)

Ec            Elastizitätsmodul des Betons (bei EN als Ecm angesetzt)

Ø             der Durchmesser des Bewehrungsstabes

Zum Nachweis der Verankerungslänge werden die Bemessungswerte (Werte mit Teilsicherheitsbeiwerten) der Verbundspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit, fbd, aus den jeweils gewählten Normen EN 1992-1-1 oder ACI 318-19 verwendet. Die Verfestigung des plastischen Astes wird standardmäßig als Gb/105 berechnet.

Verankerungsfeder

Die Ausbildung von Verankerungsenden der Bewehrungsstäbe (d. h. Biegungen, Haken, Schlaufen …), die die Vorgaben der Normen erfüllt, ermöglicht die Reduzierung der Grundverankerungslänge der Stäbe (lb,net) um einen bestimmten Faktor β (im Folgenden als „Verankerungsbeiwert“ bezeichnet). Der Bemessungswert der Verankerungslänge (lb) wird dann wie folgt berechnet:

Fig. 2.2.3Model for the reduction of the anchorage length: a) Anchorage force along the anchorage length of \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.2.3\qquad Model for the reduction of the anchorage length: a) Anchorage force along the anchorage length of }}}Fig. 2.2.3Model for the reduction of the anchorage length: a) Anchorage force along the anchorage length of  the reinforcement bar, b) slip-anchorage force constitutive law\textsf{\textit{\footnotesize{the reinforcement bar, b) slip-anchorage force constitutive law}}}the reinforcement bar, b) slip-anchorage force constitutive law

Die Reduzierung der Verankerungslänge wird im Finite-Elemente-Modell durch ein Federelement am Stabende (Fig. 2.2.3a) berücksichtigt, das durch das in (Fig. 2.2.3b) dargestellte Materialgesetz definiert ist. Die maximale von dieser Feder übertragene Kraft (Fau) beträgt:

Fau=β⋅As⋅fydF_{au} = \beta \cdot A_s \cdot f_{yd}Fau​=β⋅As​⋅fyd​

wobei:

β             der Verankerungsbeiwert in Abhängigkeit von der Verankerungsart

As            die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabes

fyd           der Bemessungswert (Wert mit Teilsicherheitsbeiwert) der Streckgrenze der Bewehrung

2.3 Lastübertragungselemente

Fußplatte

Die Fußplatte wird als elastisches Schalenelement modelliert. Der für Fußplatten verwendete Stahl wird in der Registerkarte Materialien definiert. Die einzige physikalische Eigenschaft ist der Elastizitätsmodul E.

Fig. 2.3.1The base plate material definition\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.1\qquad The base plate material definition}}}Fig. 2.3.1The base plate material definition

Die Fußplatte kann durch Punktlasten (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) und durch eine Kraftgruppe (Fx, Fy, Fz) belastet werden. Letztere wird hauptsächlich für Lastmodelle verwendet, die aus IDEA StatiCa Connection exportiert wurden. Beachten Sie, dass Punktlasten und Punktmomente den entsprechenden Knoten der Fußplatte direkt belasten. Das bedeutet, dass keine Umlagerung stattfindet, außer durch die Steifigkeit der Fußplatte. 

Diese Implementierung ermöglicht den Import von Lasteffekten aus IDEA StatiCa Connection, die an der Position der einzelnen Schweißnaht-Finite-Elemente auf die Fußplatte aufgebracht werden. Betrag und Richtung werden aus der allgemeinen Spannung dieses Schweißnaht-Finite-Elements ermittelt. Weitere Informationen finden Sie im entsprechenden Kapitel dieses Dokuments.

Die zweite Belastungsoption ist der Stummel. Er stellt einen kurzen Abschnitt der Stütze oberhalb der Fußplatte dar. Der Stummel wird als Struktur aus elastischen Schalenelementen modelliert und wirkt als physikalisch zutreffende Schnittstelle zwischen den Schnittgrößen und der Platte. Der Anwender wählt für den Stummel einen Querschnitt aus einer Standard-Profildatenbank. Der Schnittgrößensatz mit 6 Komponenten (Kräfte und Momente) wird in einem einzelnen Punkt an der Unterseite des Stummels aufgebracht, d. h. am Fuß der Stütze. Randbedingungen übertragen die Kräfte zur Oberseite des Stummels. Von dort werden sie auf natürliche Weise über den Stummel in die Fußplatte, die Anker und den Beton umgelagert.

Fig. 2.3.2The load transfer through the stub\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.2\qquad The load transfer through the stub}}}Fig. 2.3.2The load transfer through the stub

Querkraftübertragungsmechanismus (von der Fußplatte zum Betonblock)

Zwischen der Fußplatte und dem Beton wird ein Reibungskontakt definiert, der nur Druck überträgt. Für die Querkraftübertragung kann der Anwender zwischen drei Optionen wählen:

  • Über Anker
  • Über Reibung
  • Über Schubknagge

Die Software erlaubt keine Kombination dieser Querkraftübertragungsmechanismen. 

Der Reibungskoeffizient sollte als Bemessungswert (mit Teilsicherheitsbeiwerten) eingegeben werden. Übersteigt die resultierende Querkraft Fxy das Produkt aus der Druckkraft Fz und dem Reibungskoeffizienten μ, bricht die Berechnung ab, und nicht alle Lasten werden auf das Modell aufgebracht. Die Bedingung lautet wie folgt:

Fxyμ⋅Fz≤1\frac {F_{xy}}{ \mu \cdot F_{z}}\le 1μ⋅Fz​Fxy​​≤1

Dies ist im folgenden Beispiel zu sehen, in dem zwei Lastfälle betrachtet werden. 

  • LC1 - Ständige Einwirkung - Fz = 100 kN
  • LC2 - Veränderliche Einwirkung - Fx = 100 kN

Fig. 2.3.3Load input for example explaining shear transfer by friction\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.3\qquad Load input for example explaining shear transfer by friction}}}Fig. 2.3.3Load input for example explaining shear transfer by friction

Im ersten Berechnungsschritt wird die gesamte ständige Last aufgebracht. Anschließend wird die veränderliche Last schrittweise gesteigert, bis sie den Wert der Druckkraft multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten erreicht.

Fig. 2.3.4Results from example explaining shear transfer by friction\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.4\qquad Results from example explaining shear transfer by friction}}}Fig. 2.3.4Results from example explaining shear transfer by friction

Das Diagramm in Abbildung 2.3.5 definiert das Verhalten des Reibungskontakts zwischen der Fußplatte und dem Beton.

Fig. 2.3.5Force-displacement graph describing the behavior of frictional contact\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.5\qquad Force-displacement graph describing the behavior of frictional contact}}}Fig. 2.3.5Force-displacement graph describing the behavior of frictional contact

Der Wert von Fzμ unterscheidet sich in jedem Berechnungsinkrement, während der Wert der maximalen Schubverformung uxy konstant ist. 

Werden die Druck-Normalkraft Fz und die Querkraft Fxy in einem einzigen Lastfalltyp eingegeben (z. B. nur ständig) und ist die Bedingung Fxy / (Fzμ) ≤ 1 nicht erfüllt, wird keine Last auf das Modell aufgebracht, da die Bedingung in keinem Berechnungsinkrement erfüllt ist.

Die Schubknagge ist über Randbedingungen mit dem Betonnetz verbunden, die nur eine Übertragung von Druck-Normalspannungen zulassen. 

Fig. 2.3.6Shear lug transfer of shear mechanism\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.6\qquad Shear lug transfer of shear mechanism}}}Fig. 2.3.6Shear lug transfer of shear mechanism

Die Schubknagge wird aus elastischen Schalenelementen modelliert, wobei der Elastizitätsmodul E das Material definiert.

Für die Fußplatte sowie für die Schubknagge werden keine Ergebnisse ausgewertet und angezeigt.

 Optionen der Fußplatte  (Abstand, Vergussmörtel)

Die folgenden Optionen für den Abstand stehen zur Verfügung. Sie sind vollständig auf die Connection-Anwendung abgestimmt.

  • Direkt
  • Mörtelfuge – Muttern von oben
  • Mörtelfuge – Muttern von oben und unten
  • Spalt

Die Mörtelschicht wird als Schalenelement modelliert, wobei ihre Steifigkeit berücksichtigt wird. Beachten Sie, dass Schalenelemente in Dickenrichtung inkompressibel sind. Dies hilft, lokale Kräfte in den Beton umzulagern, und ist für die in der Praxis üblichen Mörtelbettdicken von 25–50 mm zutreffend.

Die Unterscheidung zwischen Muttern nur von oben (gelenkige Verbindung zwischen Anker und Fußplatte) und Muttern von oben und unten (feste Verbindung zwischen Anker und Fußplatte) beeinflusst die Querkrafttragfähigkeit hinsichtlich der Lochleibung im Beton erheblich.

Anker

Die Finiten Elemente, die Anker darstellen, werden so modelliert, dass sie Normal- und Querkräfte in den Beton übertragen können und dabei auch die Biegesteifigkeit der Anker berücksichtigen. Um den Schlupf zwischen dem Anker und dem umgebenden Beton abzubilden, werden dieselben Verbund- und MPC-Elemente verwendet wie für die Bewehrung. Mit den folgenden Unterschieden:

  • Für nachträglich eingebaute (Verbund-)Anker muss die Bemessungswert-Verbundfestigkeit angegeben werden.
  • Bei Unterlegplatten und Kopfbolzen wird der Verbund entlang des Ankerschafts vernachlässigt. Die gesamte Axiallast wird dann über die Unterlegplatte oder den Kopf des Ankers in den Beton übertragen.

Verbund innerhalb der Betondeckung - Bei Ankern, die über Verbund entlang des Schafts mit dem Beton verbunden sind, d. h. einbetonierten Bewehrungsankern und nachträglich eingebauten (Verbund-)Ankern, sind die Verbundelemente innerhalb der Betondeckung nicht aktiv. Die Anwendung bestimmt die Betondeckung automatisch als Abstand von der Betonoberfläche bis zur Außenfläche der oberflächennahen Bewehrung (Abb. 2.3.7a). Auf dieser Länge ist die Verbundfestigkeit zwischen dem Anker und dem Beton null. Der Anker ist nur unterhalb der Betondeckung, über den verbleibenden Teil seiner Verankerungstiefe, durch Verbundelemente mit dem Beton verbunden (Abb. 2.3.7b). Die gesamte über Verbund übertragene Last wird daher in den Beton eingeleitet, der von der oberflächennahen Bewehrung umschlossen wird. Die Verbundspannungen des Ankers innerhalb der Betondeckung sind in den Ergebnissen null.

Der Grund ist das unterschiedliche Versagensverhalten der Betondeckung. 3D CSFM verwendet für Beton ein plastisches Materialmodell, das eine Umlagerung der Spannungen ermöglicht (siehe Kapitel 1.2). Die Betondeckung nahe einer freien Oberfläche versagt jedoch spröde, gesteuert durch die Bruchmechanik, und ohne plastische Reserve. Wäre der Verbund innerhalb der Betondeckung aktiv, würde das Modell in einem Bereich ein Druckfeld aufbauen, das in der Realität nicht zuverlässig aufgenommen werden kann. Es würde den Beitrag der Betondeckung zur Tragfähigkeit des Ankers überschätzen. Dieser Fehler wächst mit der Dicke der Betondeckung. Zudem ist die Betondeckung der Teil des Modells, der der Umgebung ausgesetzt ist (Karbonatisierung, Chloride, aggressive Stoffe). Ihre Eigenschaften können sich daher während der Nutzungsdauer der Struktur verschlechtern. Die Vernachlässigung des Verbunds innerhalb der Betondeckung ist somit eine konservative Annahme, die mit den Grundannahmen von 3D CSFM übereinstimmt.

Diese Annahme gilt nur für Anker, die die Last über Verbund entlang des Schafts in den Beton übertragen. Kopfbolzen und Anker mit Unterlegplatten übertragen die Axiallast über den Kopf bzw. die Platte, ohne Verbund entlang des Schafts, und sind daher nicht betroffen.Gewöhnliche Bewehrung ist ebenfalls nicht betroffen. Der Einfluss auf die Tragfähigkeit ist am stärksten bei Ankern, deren Tragfähigkeit vom Verbund bestimmt wird und die in Bauteilen mit großer Betondeckung eingebaut sind, da ein größerer Teil der Verankerungstiefe nicht mitwirkt.

Fig. 2.3.7Anchor with bond along the shank\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.7\qquad Anchor with bond along the shank}}}Fig. 2.3.7Anchor with bond along the shank

Anker können mit Fußplatten verbunden werden. Für diese Verbindung wird eine vollständig nichtlineare Randbedingung verwendet, die das Ankerende mit einem Knoten der Fußplatte koppelt. Diese Randbedingung ermöglicht es, alle Freiheitsgrade zu steuern. So lässt sich beispielsweise sicherstellen, dass die Anker keine Druckkraft von der Fußplatte übertragen oder dass bei der Modellierung einer Schubknagge keine Querkraft über den Anker übertragen wird. 

Mit den Eigenschaften Verbindung mit der Fußplatte für Anker legt der Anwender fest, ob und wie der Anker über die zuvor genannte Randbedingung mit der Fußplatte verbunden wird. 

Fig. 2.3.8Interconnection with base plate settings\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.8\qquad Interconnection with base plate settings}}}Fig. 2.3.8Interconnection with base plate settings

Mit dem Kontrollkästchen Querkraftübertragung wird gesteuert, ob Anker und Fußplatte hinsichtlich der Querkraft verbunden sind. Beachten Sie, dass die Kombination von Querkraftübertragungsmechanismen nicht unterstützt wird. Bei der Übertragung über Reibung und Schubknagge ist dieses Kontrollkästchen daher ohne Bedeutung. Bei der Querkraftübertragung über Anker bietet dieses Feld hingegen die Möglichkeit, einzelne Anker von der Querkraftübertragung auszuschließen.

Mit dem Kontrollkästchen Übertragung von Axialkräften wird gesteuert, ob Anker und Fußplatte in Axialrichtung verbunden sind. Es wird hauptsächlich für den Export aus der Connection-Funktion verwendet (siehe entsprechendes Kapitel). Bei der manuellen Modellierung ist es sinnvoll, dieses Kontrollkästchen stets aktiviert zu lassen.

Ist das Kontrollkästchen deaktiviert, ist der Anker sowohl auf Zug als auch auf Druck getrennt (bei einem aus der Connection-Anwendung exportierten Modell wird die Verbindung durch ein Kräftepaar ersetzt). Ist das Kontrollkästchen aktiviert, ist der Anker auf Zug stets mit der Platte verbunden. Die Verbindung auf Druck wird dagegen durch den Ankertyp und die Art des Abstands bestimmt. Weitere Informationen finden Sie in Abbildung 2.3.8.

Geschnittenes Gewinde

Wird über ein Kontrollkästchen in den Ankereigenschaften gesteuert und hat zwei Zwecke:

1. Es definiert, wie der Anker mit der Fußplatte verbunden wird:

  • Bei Kopfbolzen und einbetonierter Bewehrung, die mit der Fußplatte verbunden sind (nicht bei einbetonierten Platten), wird zwischen einer Schraubverbindung (gelenkig) und einer Schweißverbindung (fest) unterschieden. Dies ist in der 3D-Szene sichtbar.
  • Beachten Sie, dass die Art der Verbindung zwischen Anker und Platte die Querkrafttragfähigkeit hinsichtlich der Lochleibung im Beton erheblich beeinflusst.

Fig. 2.3.9Cut threads options\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.9\qquad Cut threads options}}}Fig. 2.3.9Cut threads options

2. Für den Eurocode wird die Tragfähigkeit des Ankers mit geschnittenem Gewinde nach EN 1993-1-8 3.6.1 (3) abgemindert. Dies kann in den Projekteinstellungen festgelegt werden. Für Gewindestangen und Unterlegplatten wird empfohlen, diese Einstellung stets aktiviert zu lassen.

Axiale und rotatorische Verbindung zwischen Anker und Fußplatte

Wie bereits in diesem Kapitel erwähnt, werden Anker abhängig vom Ankertyp, von der Einstellung des Abstands und davon, ob ein geschnittenes Gewinde berücksichtigt wird, auf unterschiedliche Weise mit der Fußplatte verbunden. Hinsichtlich der rotatorischen Verbindung kann diese gelenkig / fest sein. Hinsichtlich der axialen Verbindung kann sie Zug / Zug + Druck sein. Die rotatorischen Verbindungsarten beeinflussen die Querkrafttragfähigkeit hinsichtlich der Lochleibung im Beton erheblich. In einer 3D-Szene lässt sich anhand der vorhandenen Muttern leicht erkennen, ob ein Anker fest oder gelenkig angeschlossen ist, siehe Abbildung 2.3.10.

Fig. 2.3.10Rotational constraints\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.10\qquad Rotational constraints}}}Fig. 2.3.10Rotational constraints

Die folgende Tabelle zeigt alle möglichen Kombinationen von Fußplattenanschlüssen mit Ankern sowie die zugehörigen rotatorischen und axialen Verbindungen.

Fig. 2.3.11Axial and rotational constraints between an anchor and a base plate\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.11\qquad Axial and rotational constraints between an anchor and a base plate}}}Fig. 2.3.11Axial and rotational constraints between an anchor and a base plate

Einbetonierte Platten

Eine einbetonierte Platte ist ein Sonderfall einer Fußplatte. Sie wird analog modelliert, mit den folgenden Unterschieden:

Da die Platte in einen Betonblock eingebettet ist, kann keine Art des Abstands festgelegt werden. Die Einbettungstiefe der Platte wird vernachlässigt. Die mit Schalenelementen modellierte Platte wird direkt auf die Betonoberfläche gesetzt. Die Seitenflächen der Platte werden daher nicht als durch den Beton gestützt betrachtet.

Es können nur Bewehrung und Kopfbolzen verwendet werden, die wie klassische Anker in axialer Richtung und in Querkraftrichtung mit der Platte verbunden werden können. Praktische Erfahrungen und einige nationale Dokumente weisen darauf hin, dass Kopfbolzen nur für Querkraft und Bewehrung für Axiallast bemessen werden sollten. Hinsichtlich der axialen und rotatorischen Randbedingungen sind Anker stets als fest und mit Zug + Druck angeschlossen.

Fig. 2.3.12Axial and rotational constraints between an anchor and a base plate\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3.12\qquad Axial and rotational constraints between an anchor and a base plate}}}Fig. 2.3.12Axial and rotational constraints between an anchor and a base plate

2.4 Betonvernetzung im 3D-CSFM

Die finiten Elemente sind intern implementiert, und das Berechnungsmodell wird automatisch generiert, ohne dass eine versierte Benutzerinteraktion erforderlich ist. Ein wichtiger Teil dieses Prozesses ist die Vernetzung.

Beton

Alle Betonbauteile werden gemeinsam vernetzt. Eine empfohlene Elementgröße wird von der Anwendung automatisch auf Grundlage der Größe und Form der Struktur berechnet, wobei der Durchmesser des größten Bewehrungsstabs berücksichtigt wird. Darüber hinaus stellt die empfohlene Elementgröße sicher, dass in dünnen Bereichen der Struktur, wie schlanken Stützen oder dünnen Wänden, mindestens vier Elemente erzeugt werden, um in diesen Bereichen zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten. Tragwerksplaner können jederzeit eine benutzerdefinierte Betonelementgröße wählen, indem sie den Multiplikator der Standard-Netzgröße ändern.

Bewehrung

Die Bewehrung wird in Elemente mit ungefähr derselben Länge wie die Betonelementgröße unterteilt. Sobald das Bewehrungsnetz und das Betonnetz generiert sind, werden sie durch Verbundelemente miteinander verbunden, wie in Abb. 2.2.1 dargestellt.

Verfeinerung

Das Betonnetz wird automatisch um Anker, um Schubknaggen und unter dem Stummel für die Lasteinleitung verfeinert. Die Größe des verfeinerten Netzes ist ungefähr halb so groß wie die des Basis-Betonnetzes. Der Radius des verfeinerten Bereichs wird ungefähr als das Zweifache der Elementgröße festgelegt.

2.5 Die Lösungsmethode und der Lastkontrollalgorithmus für 3D-CSFM

Zur Lösung eines nichtlinearen FEM-Problems wird ein standardmäßiger vollständiger Newton-Raphson-Algorithmus (NR) verwendet. 

Der NR-Algorithmus konvergiert im Allgemeinen häufig nicht, wenn die volle Last in einem einzigen Schritt aufgebracht wird. Üblicherweise, und so auch hier, wird die Last schrittweise in mehreren Inkrementen aufgebracht. Das Ergebnis des vorherigen Lastinkrements dient dabei als Startwert für die Newton-Lösung des nächsten Inkrements. Zu diesem Zweck wurde auf Basis des Newton-Raphson-Verfahrens ein Algorithmus zur Laststeuerung implementiert. Konvergieren die NR-Iterationen nicht, wird das aktuelle Lastinkrement auf die Hälfte seines Wertes reduziert und die NR-Iterationen werden erneut durchgeführt.

Ein zweiter Zweck des Laststeuerungsalgorithmus ist es, die kritische Last zu finden, die bestimmten „Abbruchkriterien“ entspricht – konkret der maximalen Dehnung im Beton, dem maximalen Schlupf in den Verbundelementen, der maximalen Verschiebung in den Verankerungselementen und der maximalen Dehnung in den Bewehrungsstäben. Die kritische Last wird mit dem Bisektionsverfahren ermittelt. Wird das Abbruchkriterium irgendwo im Modell überschritten, werden die Ergebnisse des letzten Lastinkrements verworfen und es wird ein neues Inkrement mit der halben Größe des vorherigen berechnet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die kritische Last mit einer bestimmten Fehlertoleranz gefunden ist.

Für Beton wurde das Abbruchkriterium an den Integrationspunkten der Schalenelemente auf eine Dehnung von 5 % im Druckbereich (d. h. etwa eine Größenordnung größer als die tatsächliche Bruchdehnung von Beton) und von 7 % im Zugbereich festgelegt. Im Zugbereich wurde der Wert so gewählt, dass zuerst die Grenzdehnung der Bewehrung erreicht werden kann, die ohne Berücksichtigung der Zugverfestigung üblicherweise bei etwa 5 % liegt. Im Druckbereich wurde der Wert aus mehreren Alternativen so ausgewählt, dass er groß genug ist, damit die Auswirkungen des Quetschens in den Ergebnissen sichtbar sind, aber klein genug, um nicht zu viele Probleme mit der numerischen Stabilität zu verursachen.

Fig 2.5.1Constitutive law of bond and anchorage elements used for anchorage length verification: a) Bond shear stress\textsf{\textit{\footnotesize{Fig 2.5.1\qquad Constitutive law of bond and anchorage elements used for anchorage length verification: a) Bond shear stress}}}Fig 2.5.1Constitutive law of bond and anchorage elements used for anchorage length verification: a) Bond shear stress slip response of bond element, b) force-displacement response of an anchorage element\textsf{\textit{\footnotesize{slip response of bond element, b) force-displacement response of an anchorage element}}}slip response of bond element, b) force-displacement response of an anchorage element

Für die Bewehrung ist das Abbruchkriterium über Spannungen definiert. Da die Spannungen am Riss modelliert werden, entspricht das Kriterium im Zugbereich der Zugfestigkeit der Bewehrung unter Berücksichtigung des Sicherheitsbeiwerts. Derselbe Wert wird für das Kriterium im Druckbereich verwendet.

Das Abbruchkriterium in Verbundelementen und Ankerfedern ist α·δumax, wobei δumax der in den Normnachweisen verwendete maximale Schlupf ist und α = 10 gilt.

Weitere Abbruchkriterien für die Verankerung:

  • Herausziehen von Kopfankern (maximale Kontaktdruckspannung an der Oberseite des Ankerkopfes). 
  • Maximale Querkraft, die der Anker im Hinblick auf die Lochleibung des Betons übertragen kann.

Diese beiden Kriterien hängen von der gewählten Norm ab. Weitere Informationen dazu finden Sie in den Abschnitten, in denen die normabhängigen Teile der Tragwerksberechnung in der Anwendung erläutert werden.

2.6 Darstellung der 3D-Ergebnisse

Die Ergebnisse werden getrennt für Beton und für Bewehrungselemente dargestellt. Die Spannungs- und Dehnungswerte im Beton werden an den Integrationspunkten der Volumenelemente berechnet. Da es jedoch nicht praktikabel ist, die Daten auf diese Weise darzustellen, werden die Ergebnisse standardmäßig in Knoten dargestellt, etwa als Maximalwert der Druckspannung aus benachbarten Gauß-Integrationspunkten in verbundenen Elementen. Zu beachten ist, dass diese Darstellung die Ergebnisse an gedrückten Rändern von Bauteilen lokal unterschätzen kann, wenn die Größe der finiten Elemente ähnlich der Höhe der Druckzone ist.

Die Ergebnisse für die finiten Bewehrungselemente sind entweder konstant für jedes Element (ein Wert – z. B. für Stahlspannungen) oder linear (zwei Werte – für Verbundergebnisse). Für Hilfselemente, wie z. B. Elemente von Auflagerplatten, werden nur Verformungen dargestellt.

2.7 Aus IDEA StatiCa Connection importiertes Modell

Das IDEA StatiCa Detail-Modell muss nicht immer von Grund auf oder aus einer Vorlage erstellt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, das Modell einschließlich der Lasteffekte aus IDEA StatiCa Connection zu importieren. In Connection wird der Stahlaufbau oberhalb des Betonblocks mit einem nichtlinearen 3D-Modell untersucht, während der Betonblock selbst vereinfacht durch ein Winkler-Fundament abgebildet wird. In Detail hingegen wird der Stahlbetonblock explizit modelliert und im Detail nachgewiesen.

Bei der Übertragung des Modells werden nur die Fußplatte, die Anker und der Betonblock in Detail importiert – das Stahlbauteil selbst (und seine globale Steifigkeit) wird nicht importiert. Im Connection-Modell ist dieses Stahlbauteil über eine Schweißnaht mit der Fußplatte verbunden. Die Spannungen in den finiten Elementen der Schweißnaht werden integriert und in einen Satz äquivalenter Kräfte umgerechnet, die in Detail auf die Fußplatte wirken. Auf diese Weise wird die Wirkung des fehlenden Stahlbauteils durch Schweißnahtkräfte abgebildet, die direkt auf die Fußplatte aufgebracht werden.

Fig. 2.7.1Loads imported from IDEA StatiCa Connection\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.7.1\qquad Loads imported from IDEA StatiCa Connection}}}Fig. 2.7.1Loads imported from IDEA StatiCa Connection

Aufgrund der unterschiedlichen Definition der Steifigkeit in Connection und Detail (fehlendes Stahlbauteil, unterschiedliche Materialmodelle und Betonabbildung) würde eine direkte Verbindung zwischen der Fußplatte und den Ankern in Detail im Allgemeinen zu einer anderen Umlagerung der Lasten und damit zu anderen Zugkräften in den Ankern führen. Um dies zu vermeiden, werden die Anker axial von der Fußplatte entkoppelt importiert. Anstatt Axialkräfte über den physischen Kontakt zu übertragen, werden die in Connection ermittelten Ankerzugkräfte direkt auf die Anker in Detail aufgebracht. Gleichzeitig wird an jeder Ankerposition eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf die Fußplatte aufgebracht, sodass das globale Gleichgewicht des Modells erhalten bleibt. Dieses Kräftepaar (eine Kraft wirkt auf den Anker, die andere auf die Fußplatte) bildet die Wechselwirkung zwischen Fußplatte und Anker ab, ohne eine zusätzliche Umlagerung der Axialkräfte in Detail zuzulassen. Diese beiden entgegengesetzten Kräfte sind in Abbildung 2.7.1 dargestellt.

Die Querkräfte werden jedoch weiterhin über die Verbindung zwischen der Fußplatte und den Ankern (bzw. über eine Schubknagge oder Reibung) übertragen. Dies ist möglich, da zur Verbindung von Fußplatte und Ankern in Querrichtung eine Randbedingung verwendet wird, mit der sich die maßgebenden Freiheitsgrade dieser Verbindung steuern lassen. In Detail kann der Benutzer daher den Querkraft-Lastpfad anpassen – zum Beispiel, indem er die Querkraft bei zwei von vier Ankern freigibt und nur die randnahen Anker an der Querkraftübertragung beteiligt lässt – während die Axialkräfte wie aus Connection importiert bestehen bleiben.

Für einbetonierte Platten haben wir einen anderen Ansatz gewählt. Mehrere europäische Bemessungsempfehlungen verlangen, dass nur die Bewehrungsstäbe zur Aufnahme von Axialkräften herangezogen werden, während für Kopfbolzen angenommen wird, dass sie ausschließlich Querkraft übertragen. Da IDEA StatiCa Connection beim Export die Axialkräfte in Bewehrungsankern nicht intern von denen in Kopfbolzen trennen kann, werden die Anker einbetonierter Platten vollständig verbunden, auch in axialer Richtung, in Detail importiert. Dadurch kann der Benutzer in Detail eine Bemessungsoption aktivieren, bei der Bewehrungsanker nur axialen Zug und Kopfbolzen nur Querkraft aufnehmen. In diesem Arbeitsablauf muss die Axialkraft, die ursprünglich den Kopfbolzen zugewiesen war, innerhalb des Detail-Modells auf die Bewehrungsanker umgelagert werden. Eine solche Umlagerung wäre nicht möglich, wenn wir den oben beschriebenen Ansatz mit dem Paar entgegengesetzter Kräfte verwenden würden. Aus diesem Grund werden einbetonierte Platten anders behandelt.


3 Modellverifizierung

3.1 Grenzzustände

Grenzzustand der Tragfähigkeit

Die verschiedenen Nachweise, die von den jeweiligen Bemessungsnormen gefordert werden, werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die GZT-Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Bewehrungsfestigkeit und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.

Um eine effiziente Bemessung eines Tragwerkselements sicherzustellen, wird dringend empfohlen, eine Voranalyse durchzuführen, die die folgenden Schritte berücksichtigt:

  • Wählen Sie eine Auswahl der maßgebenden Lastkombinationen.
  • Berechnen Sie nur die Lastkombinationen des Grenzzustands der Tragfähigkeit (GZT).
  • Um die Berechnungszeit zu verkürzen und Probleme zu beheben, verwenden Sie ein grobes Netz, indem Sie den Multiplikator der Standard-Netzgröße im Setup erhöhen (Abb. 3.1.1). Wenn das Modell gut funktioniert, setzen Sie den Multiplikator wieder auf den Faktor 1 zurück.

Fig 3.1.1Mesh multiplier\textsf{\textit{\footnotesize{Fig 3.1.1\qquad Mesh multiplier}}}Fig 3.1.1Mesh multiplier

Ein solches Modell wird sehr schnell berechnet. So können Planer die Detaillierung des Tragwerkselements effizient prüfen und die Analyse wiederholen, bis alle Nachweisanforderungen für die maßgebenden Lastkombinationen erfüllt sind. Sobald alle Nachweisanforderungen dieser Voranalyse erfüllt sind, wird empfohlen, die vollständigen Lastkombinationen des Grenzzustands der Tragfähigkeit einzubeziehen und die feine Netzgröße zu verwenden (die vom Programm empfohlene Netzgröße). Anwender können die Netzgröße über den Multiplikator ändern, der Werte von 0,5 bis 5 annehmen kann (Abb. 3.1.1).

Die grundlegenden Ergebnisse und Nachweise (Spannung, Dehnung und Ausnutzung (d. h. berechneter Wert/Grenzwert aus der Norm)) sowie die Richtung der Hauptspannungen bei Betonelementen) werden in verschiedenen Darstellungen angezeigt, in denen Druck im Allgemeinen rot und Zug blau dargestellt wird. Globale Minimal- und Maximalwerte für die gesamte Struktur können ebenso hervorgehoben werden wie Minimal- und Maximalwerte für jeden benutzerdefinierten Teil. In einer separaten Registerkarte des Programms können erweiterte Ergebnisse wie Tensorwerte, Verformungen der Struktur und Bewehrungsgrade (effektive und geometrische), die zur Berechnung der Zugverfestigung der Bewehrungsstäbe verwendet werden, angezeigt werden. Darüber hinaus können Lasten und Reaktionen für ausgewählte Kombinationen oder Lastfälle dargestellt werden.


4 Tragwerksbezogene Nachweise nach EUROCODE

4.1 Materialmodelle im 3D-CSFM (EN)

Beton - GZT

Das in 3D CSFM implementierte Betonmodell basiert auf den einaxialen Werkstoffgesetzen für Druck nach EN 1992-1-1 für die Bemessung von Querschnitten, die nur von der Druckfestigkeit abhängen. In 3D CSFM wird standardmäßig das Parabel-Rechteck-Diagramm nach EN 1992-1-1 Kap. 3.1.7 (1) (Abb. 4.1.1a) verwendet. Planer können jedoch auch eine vereinfachte, ideal elastisch-plastische Beziehung nach EN 1992-1-1 Kap. 3.1.7 (2) (Abb. 4.1.1b) wählen. Die Zugfestigkeit wird vernachlässigt, wie in der klassischen Stahlbetonbemessung.

Fig 4.1.1The stress-strain diagrams of concrete for ULS: a) parabola-rectangle diagram; b) bilinear diagram\textsf{\textit{\footnotesize{Fig 4.1.1\qquad The stress-strain diagrams of concrete for ULS: a) parabola-rectangle diagram; b) bilinear diagram}}}Fig 4.1.1The stress-strain diagrams of concrete for ULS: a) parabola-rectangle diagram; b) bilinear diagram

Die Implementierung von 3D CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druck (d. h. nach Erreichen der Spitzenspannung wird ein plastischer Ast mit εcu2 (εcu3) von 5 % angesetzt, während EN 1992-1-1 eine Bruchdehnung von weniger als 0,35 % annimmt). Diese Vereinfachung erlaubt es nicht, die Verformungsfähigkeit von Strukturen zu überprüfen, die auf Druck versagen. Ihre Grenztragfähigkeit fcd nach EN 1992-1-1 3.1.3 wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons durch den im fib Model Code 2010 definierten Abminderungsbeiwert ηfc\eta_{fc}ηfc​ berücksichtigt wird:

fcd=αcc⋅fck,redγc=αcc⋅ηfc⋅fckγcf_{cd}={\alpha_{cc}} \cdot \frac{f_{ck,red}}{γ_c} = {\alpha_{cc}} \cdot \frac{\eta _{fc} \cdot f_{ck}}{γ_c}fcd​=αcc​⋅γc​fck,red​​=αcc​⋅γc​ηfc​⋅fck​​

ηfc=(30fck)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f_{ck}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fck​30​)31​≤1

Dabei gilt:

αcc ist der Beiwert zur Berücksichtigung von Langzeitauswirkungen auf die Druckfestigkeit und von ungünstigen Auswirkungen aus der Art der Lastaufbringung. Er ist nach EN 1992-1-1 Kap. 3.1.6 (1) anzusetzen. Der Standardwert beträgt 1,0.

fck ist die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ηfc\eta_{fc}ηfc​).

Bewehrung

Standardmäßig wird das idealisierte bilineare Spannung-Dehnung-Diagramm für den blanken Bewehrungsstahl nach EN 1992-1-1, Abschnitt 3.2.7 (Abb. 4.1.2) angesetzt. Für die Definition dieses Diagramms müssen in der Bemessungsphase nur die grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung bekannt sein (Festigkeits- und Duktilitätsklasse). Sofern bekannt, kann die tatsächliche Spannung-Dehnung-Beziehung der Bewehrung (warmgewalzt, kaltverformt, vergütet und selbstangelassen, …) berücksichtigt werden. Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann vom Benutzer definiert werden. In diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, die Zugverfestigung anzusetzen (die Rissbreite kann nicht berechnet werden). Die Verwendung eines Spannung-Dehnung-Diagramms mit horizontalem oberem Ast erlaubt keinen Nachweis der Dauerhaftigkeit der Struktur. Daher ist ein manueller Nachweis der üblichen Duktilitätsanforderungen erforderlich.

Fig. 4.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement: a) bilinear diagram with an inclined top branch; b) bilinear diagram\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.2 \qquad Stress-strain diagram of reinforcement: a) bilinear diagram with an inclined top branch; b) bilinear diagram}}}Fig. 4.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement: a) bilinear diagram with an inclined top branch; b) bilinear diagram with a horizontal top branch.\textsf{\textit{\footnotesize{with a horizontal top branch.}}}with a horizontal top branch.

Die Zugverfestigung (Abb. 4.1.3) wird automatisch berücksichtigt, indem die eingegebene Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs modifiziert wird, um die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) zu erfassen.

Fig. 4.1.3Scheme of tension stiffening.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.1.3\qquad Scheme of tension stiffening.}}}Fig. 4.1.3Scheme of tension stiffening.

4.2 Teilsicherheitsbeiwerte

Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur Standard-Materialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitskonzept ohne Anpassung angewendet werden. Dabei werden die Eingangslasten mit Teilsicherheitsbeiwerten beaufschlagt und die charakteristischen Materialeigenschaften mit den jeweiligen, in den Bemessungsnormen vorgeschriebenen Sicherheitsbeiwerten abgemindert, genau wie bei der konventionellen Betonberechnung. Die Werte der Materialsicherheitsbeiwerte nach EN 1992-1-1 Kap. 2.4.2.4 sowie die Beiwerte für Anker nach EN 1992-4, EN 1993-1-8 und EN 1994-1-1 sind standardmäßig voreingestellt. Der Benutzer kann die Sicherheitsbeiwerte jedoch in den Norm- und Berechnungseinstellungen ändern (Abb. 4.2.1).

Fig. 4.2.1The setting of  material safety factors in Idea StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.1\qquad The setting of  material safety factors in Idea StatiCa Detail.}}}Fig. 4.2.1The setting of  material safety factors in Idea StatiCa Detail.

Die Teilsicherheitsbeiwerte für die Lasten müssen vom Benutzer in den Kombinationsregeln für jede nichtlineare Kombination von Lastfällen definiert werden (Abb. 4.2.2). Für alle in Idea StatiCa Detail implementierten Vorlagen sind die Teilsicherheitsbeiwerte bereits vordefiniert.

Fig. 4.2.2The setting of  load partial factors in Idea StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.2\qquad The setting of  load partial factors in Idea StatiCa Detail.}}}Fig. 4.2.2The setting of  load partial factors in Idea StatiCa Detail.

Mithilfe geeigneter benutzerdefinierter Kombinationen von Teilsicherheitsbeiwerten kann mit 3D CSFM auch nach dem Verfahren des globalen Widerstandsbeiwerts gerechnet werden (Navrátil et al. 2017). Dieser Ansatz wird in der Bemessungspraxis jedoch kaum angewendet. Einige Richtlinien empfehlen, das Verfahren des globalen Widerstandsbeiwerts für nichtlineare Berechnungen zu verwenden. Bei vereinfachten nichtlinearen Berechnungen (wie 3D CSFM), die nur diejenigen Materialeigenschaften benötigen, die auch in konventionellen Handberechnungen verwendet werden, ist es jedoch weiterhin vorzuziehen, das Teilsicherheitskonzept zu verwenden.

Grenzzustand der Tragfähigkeit

Die verschiedenen nach EN 1992-1-1 erforderlichen Nachweise werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die GZT-Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Bewehrungsfestigkeit und die Verankerung (Verbund-Schubspannungen) geführt.

Festigkeit - Beton

Die Betonfestigkeit auf Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen äquivalenten Hauptspannung σc,eq aus der FE-Berechnung und dem Grenzwert σc,lim = fcd ermittelt.

Die äquivalente Hauptspannung beschreibt die äquivalente einachsige Spannung für einen allgemeinen dreiachsigen Spannungszustand.

σc,eq=σc3−σc1\sigma_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1}σc,eq​=σc3​−σc1​

Der Wert σc,eq kann daher direkt mit den einachsigen Festigkeitsgrenzen gemäß 1992-1-1 Abschn. 3.1.7 (1) verglichen werden.

Dieser Ausdruck wird aus der Umsetzung der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie abgeleitet, wobei auf der sicheren Seite ein Winkel der inneren Reibung von φ = 0° angenommen wird.

Festigkeit - Bewehrung

Die Festigkeit der Bewehrung wird sowohl auf Zug als auch auf Druck als Verhältnis zwischen der Spannung in der Bewehrung an den Rissen σsr und dem festgelegten Grenzwert σs,lim ermittelt:

σs,lim=k⋅fykγsfor bilinear diagram with inclined top branchσ_{s,lim} = \dfrac{k \cdot f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\textsf{\small{for bilinear diagram with inclined top branch}}σs,lim​=γs​k⋅fyk​​for bilinear diagram with inclined top branch

σs,lim=fykγs    for bilinear diagram with horizontal top branchσ_{s,lim} = \dfrac{f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\,\,\,\,\textsf{\small{for bilinear diagram with horizontal top branch}}σs,lim​=γs​fyk​​for bilinear diagram with horizontal top branch

Dabei ist:

fyk        die Streckgrenze der Bewehrung gemäß EN 1992-1-1 Abschn. 3.2.3,

k          das Verhältnis der Zugfestigkeit ftk zur Streckgrenze,
            k=ftkfykk = \dfrac{f_{tk}}{f_{yk}}k=fyk​ftk​​

γs             der Teilsicherheitsbeiwert für die Bewehrung.

Festigkeit - Anker

Anker werden auf Normalspannungen in ähnlicher Weise wie die Bewehrung nachgewiesen, wobei der Grenzwert σs,lim bestimmt wird.

Zusätzlich werden für Anker die Werte NEd und VEd ermittelt, die gemäß der gewählten Norm mit NRd,s und VRd,s verglichen werden. Die Norm wird in Abhängigkeit vom verwendeten Ankertyp in den Projekteinstellungen gewählt.

Fig. 4.3.1EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Anchor check - Design code selection\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.1\qquad EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Anchor check - Design code selection}}}Fig. 4.3.1EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Anchor check - Design code selection

Da für den Nachweis von Ankern in verschiedenen Normen unterschiedliche Ansätze gewählt werden, kann der Benutzer für die einzelnen Ankertypen die folgenden Normen wählen:

  • Anker aus Schraubenmaterial auf Zug und/oder Querkraft - EN 1992-4, EN 1993-1-8
  • Kopfbolzen auf Zug und/oder Querkraft - EN 1992-4, EN 1994-1-1
  • Anker auf Zug und/oder Querkraft - EN 1992-4, EN 1992-1-1
  • Anker auf Druck und/oder Biegung - EN 1993-1-1

Zugnachweis nach EN 1992-4 - 7.2.1.3

NRd,s=c⋅As⋅fukγMsN_{Rd,s} = \frac{c \cdot A_s \cdot f_{uk}}{\gamma_{Ms}}NRd,s​=γMs​c⋅As​⋅fuk​​

Dabei ist:

  • c – Abminderung für geschnittene Gewinde  
  • fuk – minimale Zugfestigkeit der Schraube
  • As – Spannungsquerschnittsfläche des Ankerbolzens auf Zug (bei Schraubenmaterial um das Gewinde reduziert)
  • γMs=1.2⋅fukfyk≥1.4\gamma_{Ms} = 1.2 \cdot \dfrac{f_{uk}}{f_{yk}} \ge 1.4γMs​=1.2⋅fyk​fuk​​≥1.4 – Teilsicherheitsbeiwert für Stahl 
  • fyk – minimale Streckgrenze der Schraube

Zugnachweis nach EN 1993-1-8 - 3.6.1

NRd,s=Ft.Rd=c⋅k2⋅fub⋅AsγM2N_{Rd,s} = F_{t.Rd} = \frac{c \cdot k_2 \cdot f_{ub} \cdot A_s}{\gamma_{M2}}NRd,s​=Ft.Rd​=γM2​c⋅k2​⋅fub​⋅As​​ 

Dabei ist:

  • c – Verringerung der Zugtragfähigkeit von Schrauben mit geschnittenem Gewinde gemäß EN 1993-1-8 – Abschn. 3.6.1. (3) 
  • k2 = 0,9 – Faktor für Anker ohne Senkkopf 
  • fub – Zugfestigkeit des Ankerbolzens 
  • As – Spannungsquerschnittsfläche des Ankerbolzens auf Zug (bei Schraubenmaterial um das Gewinde reduziert)
  • γM2 =1,25 – Teilsicherheitsbeiwert für Schrauben (EN 1993-1-8, Tabelle 2.1) 

Zugnachweis nach EN 1992-1-1 - 3.2.7

NRd,s=kfykγSN_{Rd,s} = \frac{kf_{yk}}{\gamma_{S}}NRd,s​=γS​kfyk​​

Dabei ist:

  • k=(ft/fy)k=(f_{t}/f_{y})k=(ft​/fy​) ist in Anhang C angegeben
  • fyk - charakteristische Streckgrenze
  • γM2 =1,15 – Teilsicherheitsbeiwert für die Bewehrung

Drucknachweis nach EN 1993-1-1 - 6.3

Wird für alle Anker verwendet, die durch eine Normaldruckkraft beansprucht werden, unabhängig von ihrem Material oder ihrer Stand-off-Art. 

Fc,Rd=χ AsfyγM2F_{c,Rd}=\frac{\chi\,A_s f_y}{\gamma_{M2}}Fc,Rd​=γM2​χAs​fy​​

Dabei ist:

  • χ=1Φ+Φ2−λˉ2≤1\chi=\dfrac{1}{\Phi+\sqrt{\Phi^2-\bar{\lambda}^2}}\le 1χ=Φ+Φ2−λˉ2​1​≤1 – Abminderungsfaktor für Knicken
  • Φ=0.5[1+α(λˉ−0.2)+λˉ2]\Phi=0.5\left[1+\alpha\left(\bar{\lambda}-0.2\right)+\bar{\lambda}^2\right]Φ=0.5[1+α(λˉ−0.2)+λˉ2] – Wert zur Bestimmung des Abminderungsfaktors für Knicken χ
  • α=0.49\alpha=0.49α=0.49 – Imperfektionsbeiwert für die Knickspannungslinie c (zum Vollkreis gehörend)
  • λˉ=AsfyNcr\bar{\lambda}=\sqrt{\dfrac{A_s f_y}{N_{cr}}}λˉ=Ncr​As​fy​​​ – bezogener Schlankheitsgrad
    • As – die um das Gewinde reduzierte Ankerfläche
  • Ncr=π2EILcr2N_{cr}=\dfrac{\pi^2 E I}{L_{cr}^2}Ncr​=Lcr2​π2EI​  – Euler'sche Knicklast
  • I=πds464I=\dfrac{\pi d_s^4}{64}I=64πds4​​ – Trägheitsmoment der Schraube
    • ds – um das Gewinde reduzierter Ankerdurchmesser
  • Lcr=2 lL_{cr}=2\,lLcr​=2l  – Knicklänge; es wird auf der sicheren Seite angenommen, dass die Schraube im Beton eingespannt ist und sich an der Fußplatte frei drehen kann 
  • l=lal=l_{a}l=la​ – Länge des Schraubenelements, gleich der halben Fußplattendicke + Spalt + halber Schraubendurchmesser; es wird auf der sicheren Seite angenommen, dass die Unterlegscheibe und die Mutter nicht auf die Betonoberfläche geklemmt sind (ETAG 001 – Anhang C – Abschn. 4.2.2.4), siehe Abbildung 4.3.2.

Querkraftnachweis nach EN 1992-4 - 7.2.2.3

Für Stand-off = direkt wird die Querkraft ohne Hebelarm angesetzt (EN 1992-4 – Abschn. 7.2.2.3.1):

VRd,s=k6⋅As⋅fukγMsV_{Rd,s} = \frac{k_6 \cdot A_s \cdot f_{uk}}{\gamma_{Ms}}VRd,s​=γMs​k6​⋅As​⋅fuk​​

Für Stand-off = Mörtelfuge wird die Querkraft mit Hebelarm angesetzt (EN 1992-4 – Abschn. 7.2.2.3.2):

VRd,s=αM⋅MRk,sγMs⋅laV_{Rd,s} = \frac{\alpha_M \cdot M_{Rk,s}}{\gamma_{Ms} \cdot l_a}VRd,s​=γMs​⋅la​αM​⋅MRk,s​​

Dabei ist:

  • k6 = 0,6 für Anker mit fuk ≤ 500 MPa; k6 = 0,5 in allen anderen Fällen
  • As – um das Gewinde reduzierte Schubfläche des Ankers
  • fuk – Zugfestigkeit des Ankerbolzens
  • αM = 2 – es wird volle Einspannung angenommen (EN 1992-4 – Abschn. 6.2.2.3)
  • MRk,s=MRk,s0(1−NEdNRd,s)M_{Rk,s} = M^{0}_{Rk,s} \left(1 - \dfrac{N_{Ed}}{N_{Rd,s}} \right)MRk,s​=MRk,s0​(1−NRd,s​NEd​​) – charakteristischer Biegewiderstand des Ankers, abgemindert durch die Zugkraft im Anker
  •  MRk,s0=1.2⋅Wel⋅fubM^{0}_{Rk,s} = 1.2 \cdot W_{el} \cdot f_{ub}MRk,s0​=1.2⋅Wel​⋅fub​ – charakteristischer Biegewiderstand des Ankers (ETAG 001, Anhang C – Gleichung (5.5b))
  • Wel=πd332W_{el} = \dfrac{\pi d^{3}}{32}Wel​=32πd3​ – Widerstandsmoment des Ankers
  • d – Durchmesser des Ankerbolzens; wird die Scherfuge im Gewinde gewählt (was bei Gewindestangen immer der Fall ist), wird der um das Gewinde reduzierte Durchmesser verwendet; andernfalls wird der Nenndurchmesser dnom verwendet
  • NEd – Zugkraft im Anker
  • NRd,s – Zugwiderstand des Ankers
  • la=0.5 dnom+tmortar+0.5 tbpl_{a} = 0.5\, d_{\mathrm{nom}} + t_{\mathrm{mortar}} + 0.5\, t_{\mathrm{bp}}la​=0.5dnom​+tmortar​+0.5tbp​ – Hebelarm
  • tmortar – Dicke des Mörtels (Vergussmörtels)
  • tbp – Dicke der Fußplatte
  • γMs=1.0⋅fukfyk≥1.25\gamma_{Ms} = 1.0 \cdot \dfrac{f_{uk}}{f_{yk}} \ge 1.25γMs​=1.0⋅fyk​fuk​​≥1.25 für fuk≤800 MPaf_{uk} \le 800 \text{ MPa}fuk​≤800 MPa und  fykfuk≤0.8\dfrac{f_{yk}}{f_{uk}} \le 0.8fuk​fyk​​≤0.8; γMs = 1,5 in allen anderen Fällen – Teilsicherheitsbeiwert für Stahlversagen (EN 1992-4 – Tabelle 4.1)

Querkraftnachweis nach EN 1993-1-8 - 6.2.2

Der Querkraftwiderstand des Ankerstahls wird nach EN 1993-1-8 – 6.2.2 (7) unabhängig von direktem Stand-off oder Mörtelfuge bestimmt. Festigkeit und Dicke des Vergussmörtels müssen Abschn. 6.2.5 (7) entsprechen.

VRd,s=Fv,b,Rd=min⁡{F1v,b,Rd, F2v,b,Rd}V_{Rd,s} = F_{v,b,Rd} = \min \left\{ F_{1v,b,Rd} ,\, F_{2v,b,Rd} \right\}VRd,s​=Fv,b,Rd​=min{F1v,b,Rd​,F2v,b,Rd​}

Dabei ist:

F1v,b,Rd=αv⋅fub⋅AγM2F_{1v,b,Rd} = \frac{\alpha_v \cdot f_{ub} \cdot A}{\gamma_{M2}}F1v,b,Rd​=γM2​αv​⋅fub​⋅A​

  • αv = 0,6 für die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8 und 0,5 für die Festigkeitsklassen 4.8, 5.8, 6.8, 10.9
  • fub – Zugfestigkeit des Schraubenwerkstoffs
  • A – Spannungsquerschnittsfläche der Schraube, A = As, wobei As die Spannungsquerschnittsfläche der Schraube (um das Gewinde reduziert) ist
  • γM2 – Teilsicherheitsbeiwert - EN 1993-1-8 – Tabelle 2.1

F2v,b,Rd=αb⋅fub⋅AsγM2F_{2v,b,Rd} = \frac{\alpha_b \cdot f_{ub} \cdot A_s}{\gamma_{M2}}F2v,b,Rd​=γM2​αb​⋅fub​⋅As​​

  • ​ αb=0.44−0.0003 fyb\alpha_b = 0.44 - 0.0003\, f_{yb}αb​=0.44−0.0003fyb​
  • αb ist ein Beiwert in Abhängigkeit von der Streckgrenze des Ankerbolzens
  • fyb – Streckgrenze des Ankers; 235 MPa ≤ fyb ​≤ 640 MPa
  • fub – Zugfestigkeit des Ankers 
  • As – Spannungsquerschnittsfläche (um das Gewinde reduziert)

Querkraftnachweis nach EN 1993-1-1 - 6.2.6

Diese Normnachweise werden für Anker angewendet, die mit einem Spalt an die Fußplatte angeschlossen sind, oder für einen direkt belasteten Anker mit einer überstehenden Länge von mehr als dem 0,5-fachen seines Durchmessers.

Vpl,Rd=Avfy/3γM2V_{pl,Rd}=\frac{A_v f_y/\sqrt{3}}{\gamma_{M2}}Vpl,Rd​=γM2​Av​fy​/3​​

Dabei ist:

  • AV = 0,844 As – Schubfläche
  • As – um das Gewinde reduzierte Schraubenfläche
  • fy – Streckgrenze der Schraube
  • γM2 – Teilsicherheitsbeiwert (in den Projekteinstellungen definiert)

Querkraftnachweis nach EN 1994-1-1 - 6.6.3.1

VRd,s=PRd=0.8 fu π d24 γvV_{Rd,s} = P_{Rd} = \frac{0.8 \, f_u \, \pi \, d^2}{4 \, \gamma_v}VRd,s​=PRd​=4γv​0.8fu​πd2​

Dabei ist:

  • γv der Teilsicherheitsbeiwert für Scher-Verbindung nach EN 1994-1-1 Kap. 2.4.1.2. Der empfohlene Wert für γv beträgt 1,25
  • d der Schaftdurchmesser des Bolzens, 16 mm ≤ d ≤ 25 mm;
  • fu die festgelegte Zugfestigkeit des Bolzenwerkstoffs, jedoch nicht mehr als 500 MPa.

In EN 1994-1-1 enthält Abschnitt 6.6.3.1 auch Gleichung (6.19), die den Querkraftwiderstand eines Bolzens durch die Durchstanz- (Lochleibungs-)Tragfähigkeit des Betons begrenzt. In IDEA StatiCa Detail wird dieses Versagen in der Nachlaufrechnung nicht über eine separate Normformel nachgewiesen. Stattdessen ist es direkt als Abbruchkriterium in die nichtlineare Finite-Elemente-Berechnung integriert: Die Berechnung wird abgebrochen, bevor die Querkraft in einem Anker den entsprechenden Wert PRd
aus Gleichung (6.19) erreicht. Dieser Ansatz wird verwendet, weil Gleichung (6.19) nur für Kopfbolzen gilt, die an die Stahlplatte geschweißt sind, und nur für Bolzendurchmesser im Bereich 16 mm ≤ d ≤ 25 mm, wie in 6.6.3.1 festgelegt.

Um einen breiteren Bereich praktischer Fälle abzudecken, haben wir eine Reihe von 3D-Referenzmodellen in Abaqus mit Ankerdurchmessern von 8 mm bis 50 mm und Betonfestigkeiten von C16/20 bis C50/60 erstellt. Die Bolzen wurden entweder starr an die Fußplatte geschweißt oder über eine gelenkige Verbindung angeschlossen modelliert. Die Materialmodelle und Kontaktparameter in Detail wurden anschließend anhand dieser Abaqus-Simulationen kalibriert, die ihrerseits innerhalb ihres Gültigkeitsbereichs anhand von Gleichung (6.19) verifiziert wurden. Dieses Abbruchkriterium gilt für alle Ankertypen und alle EN-Normen.

Biegenachweis nach EN 1993-1-1 - 6.2.5

Mpl,Rd=WplfyγM2M_{pl,Rd}=\frac{W_{pl} f_y}{\gamma_{M2}}Mpl,Rd​=γM2​Wpl​fy​​

Dabei ist:

  • Wpl=ds36W_{pl}=\dfrac{d_s^{3}}{6}Wpl​=6ds3​​ – Widerstandsmoment der Schraube
    • ds – um das Gewinde reduzierter Ankerdurchmesser
  • fy – Streckgrenze des Werkstoffs
  • γM2 – Teilsicherheitsbeiwert (in den Projekteinstellungen definiert)

Einwirkendes Bemessungsmoment MEd - Wirkt die Querkraft mit einem Hebelarm, ist ein auf das Befestigungselement wirkendes Biegemoment zu berücksichtigen. Das auf das Befestigungselement wirkende Bemessungsmoment wird nach EN 1993-1-1 Formel (6.1) berechnet:

MEd=VEd⋅laαMM_{Ed}=V_{Ed}\cdot\frac{l_a}{\alpha_M}MEd​=VEd​⋅αM​la​​

Dabei ist:

  • VEd - die auf das betrachtete Befestigungselement wirkende Querkraft
  • la = a3 + e1
    • a3 = 0,5dnom, wobei dnom der Ankerdurchmesser ist
    • e1 - der Abstand zwischen der Querkraft und der Betonoberfläche, wobei die Dicke eines eventuellen Ausgleichsmörtels vernachlässigt wird
  • αM = 2 – es wird volle Einspannung angenommen (EN 1992-4 – Abschn. 6.2.2.3)

Fig. 4.3.2Buckling length\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.2\qquad Buckling length}}}Fig. 4.3.2Buckling length

Interaktion von Zug und Querkraft im Ankerstahl

Die Interaktion von Zug und Querkraft nach EN 1993-1-8 ist implizit im Querkraftnachweis des Ankers enthalten.

Die Interaktion von Zug und Querkraft nach EN 1992-4 wird gemäß Tabelle 7.3 getrennt für die Versagensarten Stahl und Beton ermittelt. Die Interaktion im Stahl wird für jeden Anker einzeln nachgewiesen.

(NEdNRd,s)2+(VEdVRd,s)2≤1\left( \frac{N_{Ed}}{N_{Rd,s}} \right)^{2}+\left( \frac{V_{Ed}}{V_{Rd,s}} \right)^{2}\le 1(NRd,s​NEd​​)2+(VRd,s​VEd​​)2≤1

EN 1994-1-1 legt in Abschnitt 6.6.3.2 fest, dass der Nachweis von dieser Norm nicht abgedeckt wird, wenn die Zugkraft im Anker größer als 0,1PRd ist. In diesem Fall wird die Interaktion in der Anwendung nach EN 1992-4 beurteilt. In diesem Fall darf der Querkraftnachweis nicht nach EN 1994-1-1 berücksichtigt werden.

Interaktion von Zug oder Druck und Biegung im Ankerstahl EN 1993-1-1 - 6.2.1

NEdNRd+MEdMRd≤1\frac{N_{Ed}}{N_{Rd}}+\frac{M_{Ed}}{M_{Rd}}\le 1NRd​NEd​​+MRd​MEd​​≤1

Dabei ist:

  • NEd – Bemessungswert der Zugkraft (positiv) oder Druckkraft (negatives Vorzeichen)
  • NRd – Bemessungswert des Zugwiderstands (positiv, Ft,Rd) oder Druckwiderstands (negatives Vorzeichen, Fc,Rd)
  • MEd – Bemessungswert des Biegemoments
  • MRd = Mpl,Rd – Bemessungswert des Biegewiderstands

Auszugnachweis für Anker mit Kopf (Unterlegplatten und Kopfbolzen)

Für Anker mit Kopf ist ein zusätzliches Abbruchkriterium implementiert, um die Pressung (das Quetschen) des Betons über dem Ankerkopf – den Auszug – nachzuweisen. Während der Berechnung wird die über den Kontakt zwischen Kopf und Beton übertragene Druckkraft überwacht und mit dem Grenzwert nach EN 1992-4, Abschnitt 7.2.1.5 (Herausziehversagen von Befestigungen mit Kopf) verglichen.

NRd,p=k2⋅Ah⋅fck/γMpN_{Rd,p} = k_2 \cdot A_h \cdot f_{ck} / \gamma_{Mp}NRd,p​=k2​⋅Ah​⋅fck​/γMp​

Dabei ist:

  • Ah die tragende Fläche des Kopfes des Befestigungselements (ohne die Schaftfläche). 
  • fck die charakteristische Druckfestigkeit des Betons - EN 1992-1-1 Abschn. 3.1.2
  • γMp wird in der Anwendung als γMp = γc mit dem Standardwert 1,5 angesetzt
  •  k2​ wird immer mit 7,5 angesetzt, d. h. mit dem Wert für gerissenen Beton. Dies entspricht dem in Detail verwendeten CSFM-Ansatz, bei dem die Zugfestigkeit des Betons vernachlässigt und der Beton auf Zug als gerissen angenommen wird. 

Sobald die Kontaktkraft diesen normbasierten Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung abgebrochen, bevor der Bemessungswiderstand gegen Auszug überschritten wird.

Verankerung -  Verbundspannung

Die Verbundschubspannung wird unabhängig als Verhältnis zwischen der durch die FE-Berechnung ermittelten Verbundspannung τb und der Verbundfestigkeit fbd, nach EN 1992-1-1 Kap. 8.4.2 ermittelt:

τbfbd≤1\frac{τ_{b}}{f_{bd}}\le 1fbd​τb​​≤1

fbd=2.25⋅η1⋅η2⋅fctdf_{bd} = 2.25 \cdot η_1\cdot η_2\cdot f_{ctd}fbd​=2.25⋅η1​⋅η2​⋅fctd​

Dabei ist:

  • fctd      der Bemessungswert der Betonzugfestigkeit nach EN 1992-1-1 Abschn. 3.1.6 (2). Wegen der zunehmenden Sprödigkeit von Beton höherer Festigkeit wird fctk,0.05 nach EN 1992-1-1 Abschn. 8.4.2 (2) auf den Wert für C60/75 begrenzt
  • η1       ein Beiwert für die Qualität der Verbundbedingungen und die Lage des Stabes beim Betonieren (Abb. 4.3.3).
  • η1 = 1,0 bei „guten“ Verbundbedingungen und
  • η1 = 0,7 in allen anderen Fällen sowie für Stäbe in Bauteilen, die im Gleitschalungsverfahren hergestellt werden, sofern nicht nachgewiesen werden kann, dass „gute“ Verbundbedingungen vorliegen
  • η2        hängt vom Stabdurchmesser ab:
    η2 = 1,0 für Ø ≤ 32 mm
    η2 = (132 - Ø)/100 für Ø > 32 mm

Fig. 4.3.3EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Description of bond conditions.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.3\qquad EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Description of bond conditions.}}}Fig. 4.3.3EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Description of bond conditions.

In IDEA StatiCa Detail werden die Verbundbedingungen gemäß Fig. 4.3.3 c) und d) berücksichtigt. Die Betonierrichtung kann in der Anwendung für jedes Projektelement wie folgt eingestellt werden:

Fig. 4.3.4Direction of concreting\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.4\qquad Direction of concreting}}}Fig. 4.3.4Direction of concreting

Diese Nachweise werden anhand der jeweils zutreffenden Grenzwerte für die einzelnen Teile der Struktur geführt (d. h., obwohl für Beton und Bewehrung jeweils nur eine Festigkeitsklasse vorgegeben ist, unterscheiden sich die endgültigen Spannung-Dehnung-Diagramme in jedem Teil der Struktur aufgrund der Effekte der Zugverfestigung und der Druckerweichung).

Verankerung - Gesamtkraft

Gesamtkraft Ftot und Grenzkraft Flim

Die Gesamtkraft Ftot ist ein Ergebnis der Finite-Elemente-Berechnung und kann auf zwei Arten definiert werden.

Ftot=As⋅σsF_{tot}=A_{s}\cdot \sigma_{s}Ftot​=As​⋅σs​

Dabei ist As die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabes und σs die Spannung im Stab.

Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.

Ftot=Fa+FbondF_{tot}=F_{a}+F_{bond}Ftot​=Fa​+Fbond​

Dabei ist Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft, die durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge des Bewehrungsstabes l ermittelt werden kann.

Fbond=Cs⋅∫0lτb(x)dxF_{bond}=C_{s} \cdot \int_{0}^{l}\tau_{b}\left( x \right)dxFbond​=Cs​⋅∫0l​τb​(x)dx

Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabes.

Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabes unter Berücksichtigung der Zugfestigkeit des Bewehrungsstabes sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Verankerungshaken, Schlaufen usw.).

Flim=min(Flim,bond+Fau,Fu)F_{lim}=min\left( F_{lim,bond}+F_{au},F_{u} \right)Flim​=min(Flim,bond​+Fau​,Fu​)

Fu=k⋅fyd⋅AsF_{u}=k\cdot f_{yd}\cdot A_{s}Fu​=k⋅fyd​⋅As​

Fau=β⋅k⋅fyd⋅AsF_{au}=\beta\cdot k\cdot f_{yd}\cdot A_{s}Fau​=β⋅k⋅fyd​⋅As​

Flim,bond=Cs⋅l⋅fbdF_{lim,bond}=C_{s}\cdot l \cdot f_{bd}Flim,bond​=Cs​⋅l⋅fbd​

Dabei ist Cs der Umfang des Bewehrungsstabes und l die Länge vom Beginn des Bewehrungsstabes bis zum betrachteten Punkt.

Fig. 4.3.5Definition of the limit force Flim\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.5\qquad Definition of the limit force Flim}}}Fig. 4.3.5Definition of the limit force Flim

Flim,2=Flim,1+Flim,addF_{lim,2}=F_{lim,1}+F_{lim,add}Flim,2​=Flim,1​+Flim,add​

Dabei ist Flim,add die zusätzliche Kraft, die aus der Größe des Winkels zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.

Verankerungsarten am Ende der Bewehrung (Anker und Bewehrungsstäbe)

Zu den in 3D CSFM verfügbaren Verankerungsarten gehören ein gerader Stab (d. h. keine Reduzierung am Ankerende), Winkelhaken, Haken, Schlaufe, angeschweißter Querstab, vollkommener Verbund und durchlaufender Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Fig. 4.3.6 für die Längsbewehrung und in Fig. 4.3.7 für Bügel dargestellt. Die verwendeten Verankerungsbeiwerte entsprechen EN 1992-1-1 Abschnitt 8.4.4 Tab. 8.2. Es ist zu beachten, dass 3D CSFM trotz der verschiedenen verfügbaren Optionen drei Arten von Verankerungsenden unterscheidet: (i) keine Reduzierung der Verankerungslänge, (ii) eine Reduzierung der Verankerungslänge um 30 % bei einer normgemäßen Verankerung und (iii) vollkommener Verbund.

Fig. 4.3.6 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in the 3D CSFM:\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.6\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in the 3D CSFM:}}}Fig. 4.3.6 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in the 3D CSFM:

(a) straight bar; (b) bend; (c) hook; (d) loop; (e) welded transverse bar; (f) perfect bond; (g) continuous bar.\textsf{\textit{\footnotesize{(a) straight bar; (b) bend; (c) hook; (d) loop; (e) welded transverse bar; (f) perfect bond; (g) continuous bar.}}}(a) straight bar; (b) bend; (c) hook; (d) loop; (e) welded transverse bar; (f) perfect bond; (g) continuous bar.

Fig. 4.3.7 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for stirrups.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.3.7\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for stirrups.}}}Fig. 4.3.7 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for stirrups.

Closed stirrups: (a) hook; (b) bend; (c) overlap. Open stirrups: (d) hook; (e) continuous bar.\textsf{\textit{\footnotesize{Closed stirrups: (a) hook; (b) bend; (c) overlap. Open stirrups: (d) hook; (e) continuous bar.}}}Closed stirrups: (a) hook; (b) bend; (c) overlap. Open stirrups: (d) hook; (e) continuous bar.

Um EN 1992-1-1 zu erfüllen, muss in der Berechnung die Verankerungsfeder verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, daher muss der Benutzer bei der Definition der Anfangs- und Endbedingungen der Bewehrung eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden. 

5 Tragwerksbezogene Nachweise nach ACI 318-19

3D CSFM entspricht ACI 318-19, Kapitel 6.8.1.1. Damit 3D CSFM die Anforderungen aus ACI 318-19, Abschnitt 6.8.1.2 erfüllt, wurden umfangreiche Verifizierungstests an verschiedenen Universitäten durchgeführt. Einzelne Artikel, die die Ergebnisse der Verifizierung und Validierung zusammenfassen, finden Sie unter folgendem Link.

  • Verifizierungen: Detail 3D

5.1 Materialmodelle im 3D-CSFM (ACI)

Beton - Festigkeit

Das für die Festigkeitsberechnungen in der CSFM implementierte Betonmodell basiert auf der parabolisch-plastischen Spannung-Dehnung-Linie für Beton der Portland Cement Association. Diese ist in PCA’s Notes on ACI 318-99 Building Code Requirements for Structural Concrete, Figure 6-8 beschrieben. Die Zugfestigkeit wird vernachlässigt, wie in der klassischen Stahlbetonbemessung.

Fig. 5.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.1\qquad The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis}}}Fig. 5.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis

Die Implementierung der CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druckbeanspruchung (d. h. nach Erreichen der Höchstspannung wird ein plastischer Ast mit εc0 bis zu einem Maximalwert von 5 % angesetzt, während ACI 318-19 Cl. 22.2.2.1 eine Bruchdehnung von weniger als 0,3 % annimmt). Diese Vereinfachung erlaubt es nicht, die Verformungskapazität von Strukturen, die auf Druck versagen, nachzuweisen. Die Festigkeit wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons durch den Abminderungsbeiwert ηfc\eta_{fc}ηfc​ berücksichtigt wird, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:

fc,lim′=α1⋅ϕc⋅ηfc⋅fc′f'_{c,lim}=\alpha_{1}\cdot\phi_{c}\cdot \eta _{fc}\cdot f'_{c}fc,lim′​=α1​⋅ϕc​⋅ηfc​⋅fc′​

ηfc=(30fc′)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f'_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fc′​30​)31​≤1

mit:

α1 ist der Abminderungsbeiwert der Betondruckfestigkeit nach ACI 318-19 Cl. 22.2.2.4.1. Bei Verwendung einer Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Linie muss die maximale Druckspannung um diesen Beiwert abgemindert werden. Dadurch wird die Spannungsverteilung in der Druckzone so gemittelt, dass die resultierende Druckfestigkeit kleiner oder gleich der Druckfestigkeit ist, die mit einer Spannung-Dehnung-Linie mit abfallendem plastischem Ast berechnet wird. 

Φc ist der Festigkeitsabminderungsbeiwert für Beton. Der Standardwert wird nach ACI 318-19 Table 24.2.1 (b)(f) festgelegt.

f'c ist die Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ηfc\eta_{fc}ηfc​).

Bewehrung

Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird eine ideal elastisch-plastische Spannung-Dehnung-Linie mit definierter Streckgrenze angesetzt. Siehe ACI 319-19 Cl. 20.2.1. Für die Definition dieser Linie müssen nur die Grundeigenschaften der Bewehrung bekannt sein - Festigkeit und Elastizitätsmodul.

Die Spannung-Dehnung-Linie der Bewehrung kann auch vom Benutzer definiert werden. In diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, die Zugverfestigung anzusetzen. 

Fig. 5.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.2 \qquad Stress-strain diagram of reinforcement}}}Fig. 5.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement

mit:

Φs ist der Festigkeitsabminderungsbeiwert für die Bewehrung. Der Standardwert wird nach ACI 318-19 Table 24.2.1 festgelegt.

fy ist die Streckgrenze der Bewehrung

Es Elastizitätsmodul der Bewehrung

Als Grenzdehnung, bei der die Berechnung abgebrochen wird, werden 10 % gewählt. Dies gilt auf Grundlage von ASTM A955/A955M-20c Article 7 als sicher.

Die Zugverfestigung (Fig. 5.1.3)  wird automatisch berücksichtigt, indem die Eingabe-Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs modifiziert wird, um die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe zu erfassen (εm).

Fig. 5.1.3Scheme of tension stiffening.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.1.3\qquad Scheme of tension stiffening.}}}Fig. 5.1.3Scheme of tension stiffening.

5.2 Abminderungsfaktoren für die Festigkeit und Lastfaktoren

Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle ausschließlich Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwertformat ohne Anpassung angewendet werden. Auf diese Weise werden die Eingangslasten mit Lastfaktoren beaufschlagt und die charakteristischen Materialeigenschaften mithilfe der jeweiligen Abminderungsfaktoren der Festigkeit reduziert, genau wie bei der konventionellen Betonbemessung.

Die Werte der Abminderungsfaktoren der Festigkeit sind in ACI 318-19 Kapitel 21 und für Anker in ACI 318-19 Kapitel 17 sowie in AISC 360-16 Kapitel D, E, F, G vorgeschrieben. 

Fig. 5.2.1The setting of strength reduction factors in IDEA StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.2.1\qquad The setting of strength reduction factors in IDEA StatiCa Detail.}}}Fig. 5.2.1The setting of strength reduction factors in IDEA StatiCa Detail.

Lastfaktoren für Festigkeitskombinationen sind gemäß ACI 318-19 Tabelle 5.3.1 festzulegen.

Mit Ausnahme der Angaben in Kapitel 34 sind Lastkombinationen für den Gebrauchslastbereich in ACI 318-19 nicht definiert. Es wird empfohlen, Kombinationsregeln auf Grundlage von Anhang C der ASCE/SEI 7-16 zu verwenden. Für alle Vorlagen sind die Lastfaktoren bereits vordefiniert.

Fig. 5.2.3The setting of load factors in IDEA StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.2.3\qquad The setting of load factors in IDEA StatiCa Detail.}}}Fig. 5.2.3The setting of load factors in IDEA StatiCa Detail.

5.3 Festigkeitsnachweise in Detail 3D

Die verschiedenen nach ACI 318-19 erforderlichen Nachweise werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Festigkeit der Bewehrung und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.

Festigkeit - Beton

Die Betonfestigkeit unter Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen äquivalenten Hauptspannung fc,eq (im vorherigen Text auch σc,eq genannt) aus der FE-Analyse und dem Grenzwert f'c,lim ermittelt.

Die äquivalente Hauptspannung drückt die äquivalente einachsige Spannung für einen allgemeinen dreiachsigen Spannungszustand aus.

fc,eq=σc3−σc1f_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1}fc,eq​=σc3​−σc1​

Der Wert fc,eq kann daher direkt mit einachsigen Festigkeitsgrenzen verglichen werden. Dieser Ausdruck wird aus der Umsetzung der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie abgeleitet, wobei konservativ ein Winkel der inneren Reibung von φ = 0° angenommen wird.

Festigkeit - Bewehrung

Die Festigkeit der Bewehrung wird sowohl auf Zug als auch auf Druck als Verhältnis zwischen der Spannung in der Bewehrung an den Rissen fs und dem vorgegebenen Grenzwert fy,lim ermittelt.

fy,lim=ϕs⋅fyf_{y,lim} = \phi_{s} \cdot f_{y}fy,lim​=ϕs​⋅fy​

Festigkeit - Anker

Anker werden auf Normalspannungen auf ähnliche Weise wie die Bewehrung nachgewiesen, wobei der Grenzwert fy,lim bestimmt wird. 

Um die Orientierung im folgenden Text zu erleichtern, teilen wir die Verankerung hinsichtlich des Normnachweises nach ACI oder AISC zunächst in drei Gruppen ein.

Gruppe 1

  • Verankerungsarten
    • Einbetonierte Platte
    • Fußplatte - Abstand = direkt 
    • Fußplatte - Abstand = Mörtelverbindung - Mörteldicke kleiner als das 0,5-Fache des Ankerdurchmessers
    • Einzelanker mit überstehender Länge kleiner als das 0,5-Fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (ACI / AISC)
    • Zug/Druck
      • Alle Ankerarten auf Zug – ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2  
      • Alle Ankerarten auf Druck – AISC 360-16 Kap. E
    • Querkraft ohne Hebelarm
      • Schraubenwerkstoff – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b)
      • Kopfbolzen – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (a)
      • Bewehrung – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b)
    • Interaktion von Zug und Querkraft - ACI 318-19 Kap. 17.8

Gruppe 2

  • Verankerungsarten
    • Fußplatte - Abstand = Mörtelverbindung - Mörteldicke größer als das 0,5-Fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (ACI / AISC)
    • Zug/Druck
      • Alle Ankerarten auf Zug – ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2  
      • Alle Ankerarten auf Druck – AISC 360-16 Kap. E
    • Querkraft mit Hebelarm
      • Schraubenwerkstoff – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b) + Kap. 17.7.1.2.1.
      • Kopfbolzen – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (a) + Kap. 17.7.1.2.1.
      • Bewehrung – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b) + Kap. 17.7.1.2.1.
    • Interaktion von Zug und Querkraft - ACI 318-19 Kap. 17.8

Gruppe 3

  • Verankerungsarten
    • Fußplatte - Abstand = Spalt
    • Einzelanker mit überstehender Länge größer als das 0,5-Fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (ACI / AISC)
    • Zug/Druck (mit Knicken)
      • Alle Ankerarten auf Zug – ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2
      • Alle Ankerarten auf Druck – AISC 360-16 Kap. E3
    • Biegung
      • Für alle Ankerarten – AISC 360-16 Kap. F11
    • Querkraft
      • Für alle Ankerarten – AISC 360-16 Kap. G
    • Interaktion von Normalkraft und Biegung
      • NPn+MMn≤1\dfrac{N}{P_n}+\dfrac{M}{M_n}\le 1Pn​N​+Mn​M​≤1 

Zugtragfähigkeit des Ankers nach ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2

ϕNsa=ϕa,t Ase,N futa\phi N_{sa}=\phi_{a,t}\,A_{se,N}\,f_{uta}ϕNsa​=ϕa,t​Ase,N​futa​

mit:

  • ϕa,t  – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach ACI 318-19 Kap. 17.5.3 (a)
  • Ase,N – Spannungsquerschnitt auf Zug (um das Gewinde reduziert)
  • futa – spezifizierte Zugfestigkeit des Ankerstahls; sie darf nicht größer sein als 1,9 fya und 860 MPa

Querkrafttragfähigkeit des Ankers nach ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (a)

Die Stahlfestigkeit auf Querkraft für Kopfbolzen wird wie folgt bestimmt:

ϕVsa=ϕa,V Ase,V futa\phi V_{sa}=\phi_{a,V}\,A_{se,V}\,f_{uta}ϕVsa​=ϕa,V​Ase,V​futa​

mit:
ϕa,v – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach ACI 318-19 Kap. 17.5.3 (a)
Ase,V – Spannungsquerschnitt auf Zug (um das Gewinde reduziert)
futa – spezifizierte Zugfestigkeit des Ankerstahls; sie darf nicht größer sein als 1,9 fya und 860 MPa

Querkrafttragfähigkeit des Ankers nach ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b)

Die Stahlfestigkeit auf Querkraft für Anker aus Schraubenwerkstoff und Bewehrung wird wie folgt bestimmt:

ϕVsa=ϕa,V 0.6 Ase,V futa\phi V_{sa}=\phi_{a,V}\,0.6\,A_{se,V}\,f_{uta}ϕVsa​=ϕa,V​0.6Ase,V​futa​

mit:

  • ϕa,v  – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach ACI 318-19 Kap. 17.5.3 (a)
  • Ase,V – Spannungsquerschnitt auf Zug (um das Gewinde reduziert)
  • futa – spezifizierte Zugfestigkeit des Ankerstahls; sie darf nicht größer sein als 1,9 fya und 860 MPa

Querkrafttragfähigkeit eines Ankers mit Anschluss an einen Untergrund mit Mörtel - ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2.1

Werden Anker mit aufgebauten Vergussmörtelbetten (Gruppe 2) verwendet, ist der nach 17.7.1.2 berechnete Bemessungswert der Festigkeit mit 0,80 zu multiplizieren.

Interaktion von Zug und Querkraft nach ACI 318-19 Kap. 17.8

Die Interaktion zwischen Zug und Querkraft darf vernachlässigt werden, wenn (a) oder (b) erfüllt ist.
(a) Nua/(ϕNn) ≤ 0,2
(b) Vua/(ϕVn) ≤ 0,2 

Wenn Nua/(ϕNn) > 0,2 für die maßgebende Festigkeit auf Zug und Vua/(ϕVn) > 0,2 für die maßgebende Festigkeit auf Querkraft, so muss Gl. (17.8.3) erfüllt sein.

NuaϕNn+VuaϕVn≤1.2\frac{N_{ua}}{\phi N_n}+\frac{V_{ua}}{\phi V_n}\le 1.2ϕNn​Nua​​+ϕVn​Vua​​≤1.2

Drucktragfähigkeit des Ankers nach AISC 360-16 Kap. E3

Pn=ϕa,c Fcr AgP_n =\phi_{a,c}\, F_{cr}\, A_{g}Pn​=ϕa,c​Fcr​Ag​

mit:

  • ϕa,t  – Abminderungsbeiwert für Anker auf Druck nach AISC 360-16 Kap. E1
  • (a) Wenn: Lcr≤4.71EFy\dfrac{L_c}{r} \le 4.71\sqrt{\dfrac{E}{F_y}}\quadrLc​​≤4.71Fy​E​​  oder     FyFe≤2.25\dfrac{F_y}{F_e}\le 2.25Fe​Fy​​≤2.25
    • Fcr=(0.658 Fy/Fe)FyF_{cr}=\left(0.658^{\,F_y/F_e}\right)F_yFcr​=(0.658Fy​/Fe​)Fy​
  • (b) Wenn: Lcr>4.71EFy\dfrac{L_c}{r} > 4.71\sqrt{\dfrac{E}{F_y}}\quadrLc​​>4.71Fy​E​​  oder     FyFe>2.25\dfrac{F_y}{F_e}> 2.25Fe​Fy​​>2.25
    • Fcr=0.877FeF_{cr}=0.877F_eFcr​=0.877Fe​
  • Ag​ – Bruttoquerschnittsfläche des Bauteils
  • E – Elastizitätsmodul von Stahl
  • Fe=π2E(Lcr)2F_e=\dfrac{\pi^2 E}{\left(\dfrac{L_c}{r}\right)^2}Fe​=(rLc​​)2π2E​ - elastische Knickspannung
  • Fy – festgelegte Mindeststreckgrenze des verwendeten Stahls
  • r=IAsr=\sqrt{\dfrac{I}{A_s}}r=As​I​​ – Trägheitsradius
  • I=πds464I=\dfrac{\pi d_s^4}{64}I=64πds4​​ – Trägheitsmoment der Schraube 

Biegetragfähigkeit des Ankers nach AISC 360-16 Kap. F11

Mn=ϕa,b Z Fy ≤1.6 ϕa,b Sx FyM_n=\phi_{a,b}\, Z\, F_y\, \le 1.6\,\phi_{a,b}\, S_x\, F_yMn​=ϕa,b​ZFy​≤1.6ϕa,b​Sx​Fy​

mit:

  • Z=ds36Z=\dfrac{d_s^{3}}{6}Z=6ds3​​ – plastisches Widerstandsmoment der Schraube
  • Sx=2IdsS_x=\dfrac{2I}{d_s}Sx​=ds​2I​ – elastisches Widerstandsmoment der Schraube

Querkrafttragfähigkeit des Ankers nach AISC 360-16 Kap. G

Vn=ϕa,v 0.6 Av FyV_n=\phi_{a,v}\,0.6\,A_v\,F_yVn​=ϕa,v​0.6Av​Fy​

mit:

  • AV = 0,844As – die Schubfläche
  • As – die um das Gewinde reduzierte Schraubenfläche

Quetschen des Betons an der Grenzfläche zwischen Anker und Beton

Die Querkrafttragfähigkeit des Ankers ist zudem im Hinblick auf das Quetschen des Betons an der Grenzfläche zwischen Anker und Beton begrenzt. Die Grenzwerte und das Verfahren zu ihrer Ermittlung sind im Artikel - Querkrafttragverhalten von Ankern in Stahlbeton. ausführlich beschrieben. Sobald die Kontaktkraft diesen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Analyse wird beendet, bevor die Tragfähigkeit überschritten wird.​ 

Auszugnachweis für Kopfanker (Unterlegplatten und Kopfbolzen)

Für Kopfanker ist ein zusätzliches Abbruchkriterium implementiert, mit dem die Betonpressung (das Quetschen) über dem Ankerkopf - Auszug - nachgewiesen wird. Während der Analyse wird die über den Kontakt zwischen Kopf und Beton übertragene Druckkraft überwacht und mit dem Grenzwert nach ACI 318-19, Abschnitt 17.6.3.2.2a (Auszugversagen von Kopfbefestigungen) verglichen.

Npn=Φ⋅Ψc,p⋅8⋅Abrg⋅fc′N_{pn} = \Phi \cdot \Psi_{c,p} \cdot 8 \cdot A_{brg} \cdot f'_cNpn​=Φ⋅Ψc,p​⋅8⋅Abrg​⋅fc′​
​

mit:

  • Φ\PhiΦ ist der Abminderungsbeiwert - Tabelle 17.5.3(c)
  • Abrg Netto-Auflagerfläche des Kopfes des Bolzens, der Ankerschraube oder des Betonrippenstahls mit Kopf (ohne die Schaftfläche). 
  • f'c ist die spezifizierte Druckfestigkeit des Betons
  • Ψc,p\Psi_{c,p}Ψc,p​ ist der Beiwert für die Rissbildung beim Auszug nach 17.6.3.3 und wird stets mit 1,0 angesetzt, d. h. mit dem Wert für gerissenen Beton. Dies entspricht dem in Detail verwendeten CSFM-Ansatz, bei dem die Zugfestigkeit des Betons vernachlässigt und der Beton auf Zug als gerissen angenommen wird.

Sobald die Kontaktkraft diesen normativen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Analyse wird beendet, bevor die Auszugtragfähigkeit überschritten wird.​ 

Verankerung -  Verbundspannung

Die Verbundschubspannung wird unabhängig als Verhältnis zwischen der mittels FE-Analyse berechneten Verbundspannung τb und der Verbundfestigkeit fbu ermittelt.

Obwohl die Verbundfestigkeit in ACI 318-19 nicht explizit definiert ist, findet sich die Berechnung der Verankerungslänge in Abschnitt 25.4.2. Da die Verbundfestigkeit jedoch die Grundeingangsgröße zur Bestimmung der Verankerungslänge ist (siehe R25.4.1.1 und ACI Committee 408 1966), kann sie wie folgt berechnet werden:

Angenommen, ein Bewehrungsstab wird auf die Verankerungslänge ld oder mehr in einen Betonblock eingebettet. Dann führt das Herausziehen der Bewehrung zum Bruch der Bewehrung und nicht zum Herausziehen aus dem Beton. Dies lässt sich mit der folgenden Formel ausdrücken.

π⋅db⋅ld⋅fbu=fy⋅As\pi\cdot d_{b} \cdot l_{d} \cdot f_{bu}=f_{y}\cdot A_{s}π⋅db​⋅ld​⋅fbu​=fy​⋅As​

mit:

db ist der Durchmesser des Bewehrungsstabs, ld ist die Verankerungslänge, fbu ist die Verbundfestigkeit, fy ist die Streckgrenze der Bewehrung und As ist die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs.

Daraus lässt sich die Formel zur Berechnung der Verbundfestigkeit leicht ableiten:

fbu=fy⋅Asπ⋅db⋅ldf_{bu}=\frac{f_{y}\cdot A_{s}}{\pi\cdot d_{b} \cdot l_{d} }fbu​=π⋅db​⋅ld​fy​⋅As​​

Die Verankerungslänge ld wird dann nach ACI 318-19 Tabelle 25.4.2.3 wie folgt bestimmt:

ld=(fy⋅ψt⋅ψe⋅ψgC⋅λfc′)⋅dbl_{d}=\left( \frac{f_{y}\cdot\psi_{t}\cdot\psi_{e}\cdot\psi_{g}}{C\cdot\lambda\sqrt{f'_{c}}} \right)\cdot d_{b}ld​=(C⋅λfc′​​fy​⋅ψt​⋅ψe​⋅ψg​​)⋅db​

mit:

C = 25 (2,1 für metrisch) für Stäbe der Nr. 6 und kleiner sowie für Rippendrähte, C = 20 (1,7 für metrisch) für Stäbe der Nr. 7 und größer, λ = 1,0 für Normalbeton, ψt, ψe, ψg werden nach ACI 318-19 Tabelle 25.4.2.3 bestimmt. 

Es wird nur unbeschichtete oder verzinkte Bewehrung unterstützt, daher gilt ψe = 1,0. ψg wird automatisch aus der Festigkeitsklasse der Bewehrung bestimmt, und ψt wird automatisch aus der Lage der Bewehrung im Modell und aus der Betonierrichtung abgeleitet, die in der Anwendung für jedes Projektelement wie folgt eingestellt werden kann.

Fig. 5.3.1Direction of concreting\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.1\qquad Direction of concreting}}}Fig. 5.3.1Direction of concreting

Diese Nachweise werden im Hinblick auf die jeweils geeigneten Grenzwerte für die entsprechenden Teile der Struktur geführt (d. h., obwohl sowohl für den Beton als auch für den Bewehrungswerkstoff nur eine Festigkeitsklasse vorliegt, unterscheiden sich die endgültigen Spannung-Dehnung-Diagramme in jedem Teil der Struktur aufgrund der Effekte der Zugverfestigung und der Druckerweichung).

Verankerung -  Gesamtkraft

Gesamtkraft Ftot und Grenzkraft Flim

Die Gesamtkraft Ftot ist ein Ergebnis der Finite-Elemente-Analyse und kann auf zwei Arten definiert werden.

Ftot=As⋅fsF_{tot}=A_{s} \cdot f_{s}Ftot​=As​⋅fs​

wobei As die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs die Spannung im Stab ist.

Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.

Ftot=Fa+FbondF_{tot}=F_{a}+F_{bond}Ftot​=Fa​+Fbond​

wobei Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft ist, die durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge l des Bewehrungsstabs erhalten werden kann.

Fbond=Cs⋅∫0lτb(x)dxF_{bond}=C_{s} \cdot \int_{0}^{l}\tau_{b}\left( x \right)dxFbond​=Cs​⋅∫0l​τb​(x)dx

Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabs.

Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabs unter Berücksichtigung der Festigkeit des Stabs sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Verankerungshaken, Schlaufen usw.).

Flim=min(Flim,bond+Fau,Fu)F_{lim}=min\left( F_{lim,bond}+F_{au},F_{u} \right)Flim​=min(Flim,bond​+Fau​,Fu​)

Fu=fy,lim⋅AsF_{u}=f_{y,lim}\cdot A_{s}Fu​=fy,lim​⋅As​

Fau=β⋅fy,lim⋅AsF_{au}=\beta\cdot f_{y,lim}\cdot A_{s}Fau​=β⋅fy,lim​⋅As​

Flim,bond=Cs⋅l⋅fbuF_{lim,bond}=C_{s}\cdot l \cdot f_{bu}Flim,bond​=Cs​⋅l⋅fbu​

wobei Cs der Umfang des Bewehrungsstabs und l die Länge vom Beginn des Bewehrungsstabs bis zum betrachteten Punkt ist.

Fig. 5.3.2Definition of the limit force Flim\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.2\qquad Definition of the limit force Flim}}}Fig. 5.3.2Definition of the limit force Flim

Flim,2=Flim,1+Flim,addF_{lim,2}=F_{lim,1}+F_{lim,add}Flim,2​=Flim,1​+Flim,add​

wobei Flim,add die zusätzliche Kraft ist, die aus der Größe des Winkels zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.

Die in CSFM verfügbaren Verankerungsarten umfassen einen geraden Stab (d. h. ohne Reduktion durch das Verankerungsende), einen 90-Grad-Haken, einen 180-Grad-Haken, vollkommenen Verbund und einen durchlaufenden Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den zugehörigen Verankerungsbeiwerten β in Abb. 5.3.3 für die Längsbewehrung dargestellt. Die Werte der angesetzten Verankerungsbeiwerte werden aus dem Vergleich der Gleichung aus ACI 318-19 Abschnitt 25.4.3.1 mit den Gleichungen aus ACI 318-19 Abschnitt 25.4.2.3 abgeleitet. Es ist zu beachten, dass CSFM trotz der verschiedenen verfügbaren Optionen drei Arten von Verankerungsenden unterscheidet: (i) keine Reduktion der Verankerungslänge, (ii) eine Reduktion der Verankerungslänge um 30 % im Fall einer normgemäßen Verankerung und (iii) vollkommener Verbund.

Fig. 5.3.3 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.3\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:}}}Fig. 5.3.3 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:

(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar\textsf{\textit{\footnotesize{(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar}}}(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar

Der Verankerungsbeiwert für Bügel beträgt stets β = 1,0.

Um ACI einzuhalten, muss in der Berechnung die Verankerungsfeder verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, sodass der Benutzer bei der Definition der Anfangs- und Endbedingungen der Bewehrung eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden muss. 

6 Tragwerksbezogene Nachweise nach AASHTO

6.1 Materialmodelle im 3D CSFM (AASHTO)

Beton – Festigkeit

Das für die Festigkeitsberechnungen in 3D CSFM implementierte Betonmodell basiert auf den Annahmen der AASHTO-LRFD-Festigkeitsbemessung zu Gleichgewicht und Dehnungsverträglichkeit. Gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.6.2.1, wird die Zugfestigkeit des Betons vernachlässigt.

Fig. 6.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.1\qquad The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis}}}Fig. 6.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis

Die Implementierung des 3D CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für gedrückten Beton (d. h., nach Erreichen der Spitzenspannung wird ein plastischer Ast mit εc0 bis zu einem Maximalwert von 5 % angesetzt, während AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.6.2.1, eine Bruchdehnung von weniger als 0,3 % annimmt). Diese Vereinfachung erlaubt es nicht, die Verformungskapazität von auf Druck versagenden Strukturen nachzuweisen. Die Festigkeit wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons über den Abminderungsbeiwert ηfc\eta_{fc}ηfc​ berücksichtigt wird, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:

fc,lim′=α1⋅ϕc⋅ηfc⋅fc′f'_{c,lim}=\alpha_{1}\cdot\phi_{c}\cdot \eta _{fc}\cdot f'_{c}fc,lim′​=α1​⋅ϕc​⋅ηfc​⋅fc′​

ηfc=(30fc′)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f'_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fc′​30​)31​≤1

mit:

α1 ist der Abminderungsbeiwert der Betondruckfestigkeit gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.6.2.2. Bei Verwendung eines Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramms ist es erforderlich, die maximale Druckspannung um diesen Beiwert zu reduzieren. Dadurch wird die Spannungsverteilung in der Druckzone so gemittelt, dass die resultierende Druckfestigkeit kleiner oder gleich der Druckfestigkeit ist, die mit einem Spannung-Dehnung-Diagramm mit abfallendem plastischem Ast berechnet wird.

Φc ist der Festigkeitsabminderungsbeiwert für Beton. Der Standardwert wird gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.5.4.2, festgelegt.

f'c ist die Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ηfc\eta_{fc}ηfc​).

Bewehrung

Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird ein ideal elastisch-plastisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit definierter Streckgrenze angesetzt. Siehe AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.4.3. Für die Definition dieses Diagramms müssen nur die grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung bekannt sein – Festigkeit und Elastizitätsmodul.

Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann auch vom Benutzer definiert werden, in diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, den Effekt der Zugverfestigung zu berücksichtigen. 

Fig. 6.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.2 \qquad Stress-strain diagram of reinforcement}}}Fig. 6.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement

mit:

Φs ist der Festigkeitsabminderungsbeiwert für Bewehrung. Der Standardwert wird gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.5.4.2, festgelegt.

fy ist die Streckgrenze der Bewehrung

Es ist der Elastizitätsmodul der Bewehrung

Als Grenzdehnung, bei der die Berechnung abgebrochen wird, ist 10 % gewählt. Dies wird auf Grundlage von ASTM A955/A955M-20c, Artikel 7, als sicher angesehen.

Die Zugverfestigung (Abb. 6.1.3)  wird automatisch berücksichtigt, indem die Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) erfasst wird.

Fig. 6.1.3Scheme of tension stiffening.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.3\qquad Scheme of tension stiffening.}}}Fig. 6.1.3Scheme of tension stiffening.

6.2 Widerstandsfaktoren und Lastfaktoren

Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwertformat ohne Anpassung angewendet werden. Dabei werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt und die charakteristischen Materialeigenschaften mit den jeweiligen Festigkeitsreduktionsfaktoren abgemindert, genau wie bei der herkömmlichen Betonbemessung.

Die Werte der Festigkeitsreduktionsfaktoren sind in AASHTO LRFD (2024) Artikel 5.5.4 und für Anker in ACI 318-19 Kapitel 17 sowie AASHTO LRFD (2024) Artikel 6.5.4.2 vorgeschrieben.

Fig. 6.2.1The setting of strength reduction factors in IDEA StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.2.1\qquad The setting of strength reduction factors in IDEA StatiCa Detail.}}}Fig. 6.2.1The setting of strength reduction factors in IDEA StatiCa Detail.

Lastfaktoren und Lastkombinationen sind gemäß AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2024), Artikel 3.4.1 und Tabellen 3.4.1-1 bis 3.4.1-6 festzulegen. AASHTO LRFD legt die Lastkombinationen für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (Strength I bis Strength V) ausdrücklich fest, einschließlich der zugehörigen Lastfaktoren für jeden Fall.

Fig. 6.2.2The setting of load factors in Idea StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.2.2\qquad The setting of load factors in Idea StatiCa Detail.}}}Fig. 6.2.2The setting of load factors in Idea StatiCa Detail.

6.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit in Detail 3D

Die verschiedenen von AASHTO geforderten Nachweise werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Festigkeit der Bewehrung und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.

Festigkeit – Beton

Die Betonfestigkeit auf Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen äquivalenten Hauptspannung fc,eq (im vorherigen Text auch σc,eq ), die aus der FE-Berechnung erhalten wird, und dem Grenzwert f'c,lim ausgewertet.

Die äquivalente Hauptspannung drückt die äquivalente einachsige Spannung für einen allgemeinen dreiachsigen Spannungszustand aus.

fc,eq=σc3−σc1f_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1}fc,eq​=σc3​−σc1​

Der Wert fc,eq kann daher direkt mit einachsigen Festigkeitsgrenzen verglichen werden. Dieser Ausdruck wird aus der Anwendung der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie abgeleitet, wobei der Winkel der inneren Reibung auf der sicheren Seite mit φ = 0° angenommen wird.

Festigkeit – Bewehrung

Die Festigkeit der Bewehrung wird sowohl auf Zug als auch auf Druck als Verhältnis zwischen der Spannung in der Bewehrung an den Rissen fs und dem festgelegten Grenzwert fy,lim ausgewertet.

fy,lim=ϕs⋅fyf_{y,lim} = \phi_{s} \cdot f_{y}fy,lim​=ϕs​⋅fy​

Festigkeit – Anker

Anker werden auf Normalspannungen auf ähnliche Weise wie die Bewehrung nachgewiesen, wobei der Grenzwert fy,lim bestimmt wird. 

Um die Orientierung im folgenden Text zu erleichtern, unterteilen wir die Verankerung zunächst im Hinblick auf die Normnachweise nach AASHTO bzw. ACI in drei Gruppen.

Gruppe 1

  • Verankerungsarten
    • Einbetonierte Ankerplatte
    • Fußplatte – Abstand (Stand-off) = direkt 
    • Fußplatte – Abstand (Stand-off) = Mörtelfuge – Mörteldicke kleiner als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
    • Einzelanker mit überstehender Länge kleiner als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (AASHTO / ACI)
    • Zug/Druck
      • Alle Ankerarten auf Zug – ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2  
      • Alle Ankerarten auf Druck – AASHTO Artikel 6.9.2
    • Querkraft ohne Hebelarm
      • Schraubenmaterial – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b)
      • Kopfbolzen – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (a)
      • Bewehrung – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b)
    • Interaktion von Zug und Querkraft - ACI 318-19 Kap. 17.8

Gruppe 2

  • Verankerungsarten
    • Fußplatte – Abstand (Stand-off) = Mörtelfuge – Mörteldicke größer als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (AASHTO / ACI)
    • Zug/Druck
      • Alle Ankerarten auf Zug – ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2  
      • Alle Ankerarten auf Druck – AASHTO Artikel 6.9.2
    • Querkraft mit Hebelarm
      • Schraubenmaterial – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b) + Kap. 17.7.1.2.1.
      • Kopfbolzen – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (a) + Kap. 17.7.1.2.1.
      • Bewehrung – ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b) + Kap. 17.7.1.2.1.
    • Interaktion von Zug und Querkraft - ACI 318-19 Kap. 17.8

Gruppe 3

  • Verankerungsarten
    • Fußplatte – Abstand (Stand-off) = Spalt
    • Einzelanker mit überstehender Länge größer als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (AASHTO / ACI)
    • Zug/Druck (mit Knicken)
      • Alle Ankerarten auf Zug – ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2
      • Alle Ankerarten auf Druck – AASHTO LRFD Artikel 6.9.2
    • Biegung
      • Für alle Ankerarten – AAHTO LRFD Artikel 6.12.2.2.7
    • Querkraft
      • Für alle Ankerarten – AASHTO LRFD Artikel 6.10.9
    • Interaktion von Normalkraft und Biegung
      • NPn+MMn≤1\dfrac{N}{P_n}+\dfrac{M}{M_n}\le 1Pn​N​+Mn​M​≤1 

Zugwiderstand des Ankers nach ACI 318-19 Kap. 17.6.1.2

ϕNsa=ϕa,t Ase,N futa\phi N_{sa}=\phi_{a,t}\,A_{se,N}\,f_{uta}ϕNsa​=ϕa,t​Ase,N​futa​

mit:

  • ϕa,t  – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach ACI 318-19 Kap. 17.5.3 (a)
  • Ase,N – Spannungsquerschnitt auf Zug (um das Gewinde reduziert)
  • futa – festgelegte Zugfestigkeit des Ankerstahls; sie darf nicht größer sein als 1,9 fya und 860 MPa

Querkraftwiderstand des Ankers nach ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (a)

Die Stahlfestigkeit auf Querkraft für Kopfbolzen wird wie folgt bestimmt:

ϕVsa=ϕa,V Ase,V futa\phi V_{sa}=\phi_{a,V}\,A_{se,V}\,f_{uta}ϕVsa​=ϕa,V​Ase,V​futa​

mit:
ϕa,v – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach ACI 318-19 Kap. 17.5.3 (a)
Ase,V – Spannungsquerschnitt auf Zug (um das Gewinde reduziert)
futa – festgelegte Zugfestigkeit des Ankerstahls; sie darf nicht größer sein als 1,9 fya und 860 MPa

Querkraftwiderstand des Ankers nach ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2 (b)

Die Stahlfestigkeit auf Querkraft für Anker aus Schraubenmaterial und Bewehrung wird wie folgt bestimmt:

ϕVsa=ϕa,V 0.6 Ase,V futa\phi V_{sa}=\phi_{a,V}\,0.6\,A_{se,V}\,f_{uta}ϕVsa​=ϕa,V​0.6Ase,V​futa​

mit:

  • ϕa,v  – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach ACI 318-19 Kap. 17.5.3 (a)
  • Ase,V – Spannungsquerschnitt auf Zug (um das Gewinde reduziert)
  • futa – festgelegte Zugfestigkeit des Ankerstahls; sie darf nicht größer sein als 1,9 fya und 860 MPa

Querkraftwiderstand eines Ankers mit Mörtelfuge am Fundament - ACI 318-19 Kap. 17.7.1.2.1

Werden Anker mit aufgebauten Vergussmörtelschichten verwendet (Gruppe 2), ist der nach 17.7.1.2 berechnete Bemessungswert der Festigkeit mit 0,80 zu multiplizieren.

Interaktion von Zug und Querkraft nach ACI 318-19 Kap. 17.8

Die Interaktion zwischen Zug und Querkraft darf vernachlässigt werden, wenn (a) oder (b) erfüllt ist.
(a) Nua/(ϕNn) ≤ 0,2
(b) Vua/(ϕVn) ≤ 0,2 

Wenn Nua/(ϕNn) > 0,2 für die maßgebende Festigkeit auf Zug und Vua/(ϕVn) > 0,2 für die maßgebende Festigkeit auf Querkraft, dann muss Gl. (17.8.3) erfüllt sein.

NuaϕNn+VuaϕVn≤1.2\frac{N_{ua}}{\phi N_n}+\frac{V_{ua}}{\phi V_n}\le 1.2ϕNn​Nua​​+ϕVn​Vua​​≤1.2

Druckwiderstand des Ankers nach AASHTO LRFD Artikel 6.9.2

Pr=ϕa,c PnP_r =\phi_{a,c}\, P_{n}Pr​=ϕa,c​Pn​

mit:

  • ϕa,c  – Abminderungsbeiwert für Anker auf Druck nach AASHTO LRFD Artikel 6.5.4.2
  • Wenn PoPe≤2.25\dfrac{P_o}{P_e} \le 2.25Pe​Po​​≤2.25,  dann: Pn=(0.658 Po/Pe)PoP_{n}=\left(0.658^{\,P_o/P_e}\right)P_oPn​=(0.658Po​/Pe​)Po​,   Andernfalls: Pn=0.877 PeP_n=0.877\,P_ePn​=0.877Pe​
  • Ag​ – Bruttoquerschnittsfläche des Bauteils (in2)
  • Fy – festgelegte Mindestfließspannung des verwendeten Stahls (ksi)
  • Pe=π2E(K lrs)2AgP_e=\dfrac{\pi^2 E}{\left(\dfrac{K\,l}{r_s}\right)^2}A_gPe​=(rs​Kl​)2π2E​Ag​ - elastischer kritischer Knickwiderstand (kip)
  • E – Elastizitätsmodul von Stahl (ksi)
  • K = 2 – Knicklängenbeiwert nach Artikel 4.6.2.5 
  • l – unausgesteifte Länge in der Knickebene (in) 
  • rs=IAgr_s=\sqrt{\dfrac{I}{A_g}}rs​=Ag​I​​ – Trägheitsradius
  • I=πds464I=\dfrac{\pi d_s^4}{64}I=64πds4​​ – Trägheitsmoment der Schraube 

Biegewiderstand des Ankers nach AASHTO LRFD Artikel 6.12.2.2.7

Mn=ϕa,b Z Fy ≤1.6 ϕa,b Sx FyM_n=\phi_{a,b}\, Z\, F_y\, \le 1.6\,\phi_{a,b}\, S_x\, F_yMn​=ϕa,b​ZFy​≤1.6ϕa,b​Sx​Fy​

mit:

  • Z=ds36Z=\dfrac{d_s^{3}}{6}Z=6ds3​​ – plastisches Widerstandsmoment der Schraube
  • Sx=2IdsS_x=\dfrac{2I}{d_s}Sx​=ds​2I​ – elastisches Widerstandsmoment der Schraube

Querkraftwiderstand des Ankers nach AASHTO LRFD Artikel 6.10.9

Vn=ϕa,v 0.6 Av FyV_n=\phi_{a,v}\,0.6\,A_v\,F_yVn​=ϕa,v​0.6Av​Fy​

mit:

  • AV = 0,844As – die Schubfläche
  • As – die um das Gewinde reduzierte Schraubenfläche

Betonquetschen an der Grenzfläche zwischen Anker und Beton

Der Querkraftwiderstand des Ankers wird außerdem im Hinblick auf das Betonquetschen an der Grenzfläche zwischen Anker und Beton begrenzt. Die Grenzwerte und das Verfahren zu ihrer Bestimmung sind im Artikel - Schubverhalten von Ankern in Stahlbeton. ausführlich beschrieben. Sobald die Kontaktkraft diesen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung wird beendet, bevor der Widerstand überschritten wird.​ 

Nachweis des Auszugversagens für Anker mit Kopf (Unterlegplatten und Kopfbolzen)

Für Anker mit Kopf ist ein zusätzliches Abbruchkriterium implementiert, um die Betonpressung (das Betonquetschen) über dem Ankerkopf zu überprüfen - Auszug. Während der Berechnung wird die über den Kontakt zwischen Kopf und Beton übertragene Druckkraft überwacht und mit dem Grenzwert nach ACI 318-19, Abschnitt 17.6.3.2.2a (Auszugversagen von Befestigungen mit Kopf) verglichen.

Npn=Φ⋅Ψc,p⋅8⋅Abrg⋅fc′N_{pn} = \Phi \cdot \Psi_{c,p} \cdot 8 \cdot A_{brg} \cdot f'_cNpn​=Φ⋅Ψc,p​⋅8⋅Abrg​⋅fc′​
​

mit:

  • Φ\PhiΦ ist der Abminderungsbeiwert - Tabelle 17.5.3(c)
  • Abrg ist die Netto-Auflagerfläche des Kopfes eines Bolzens, Ankerbolzens oder Rippenstahls mit Kopf (ohne die Schaftfläche). 
  • f'c ist die festgelegte Druckfestigkeit des Betons
  • Ψc,p\Psi_{c,p}Ψc,p​ ist der Rissbeiwert für das Auszugversagen nach 17.6.3.3 und wird stets mit 1,0 angesetzt, d. h. mit dem Wert für gerissenen Beton. Dies steht im Einklang mit dem in Detail verwendeten CSFM-Ansatz, bei dem die Zugfestigkeit des Betons vernachlässigt und der Beton auf Zug als gerissen angenommen wird.

Sobald die Kontaktkraft diesen normativen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung wird beendet, bevor der Auszugwiderstand überschritten wird.​ 

Verankerung -  Verbundspannung

Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis zwischen der durch die FE-Berechnung ermittelten Verbundspannung τb und der Verbundfestigkeit fbu ausgewertet.

Da die Verbundfestigkeit in AASHTO jedoch nicht explizit definiert ist, muss ihr Wert anhand der Gleichungen bestimmt werden, die die Verankerungslänge definieren. Die Verbundfestigkeit ist tatsächlich die primäre Eingangsgröße für die Bestimmung der Verankerungslänge; siehe zum Beispiel AASHTO LRFD (2024) Artikel C5.10.8.2 oder NCHRP Report 733, Anhang E, Seite E-9.

Die in AASHTO LRFD (2024) Artikel 5.10.8.2.1 und 5.10.8.2.2 beschriebene Berechnung erfordert die Kenntnis des maximalen Achsabstands der Querbewehrung innerhalb von ld, der Anzahl der Stäbe oder Drähte, die entlang der Spaltebene verankert werden, der gesamten Querschnittsfläche der Querbewehrung sowie weiterer geometrischer Größen, die im Modell der Detail-Anwendung bei allgemeiner Eingabe nicht zuverlässig bestimmt werden können. Daher wurde ein Ansatz nach AASHTO LRFD (2014) Artikel 5.11.2.1.1 in folgender Weise gewählt:

Nehmen wir an, dass bei einer Verankerung des Bewehrungsstabs in einem Betonblock mit der Verankerungslänge ld oder größer das Herausziehen der Bewehrung zum Bruch der Bewehrung und nicht zum Herausziehen aus dem Beton führt. Dies kann mit folgender Formel ausgedrückt werden.

π⋅db⋅ld⋅fbu=fy⋅Ab\pi\cdot d_{b} \cdot l_{d} \cdot f_{bu}=f_{y}\cdot A_{b}π⋅db​⋅ld​⋅fbu​=fy​⋅Ab​

mit:

  • db ist der Durchmesser des Bewehrungsstabs
  • ld ist die Verankerungslänge
  • fbu ist die Verbundfestigkeit
  • fy ist die Streckgrenze der Bewehrung
  • Ab ist die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs

Aus dem Vorstehenden lässt sich die Formel zur Berechnung der Verbundfestigkeit einfach herleiten.

 fbu=fy⋅Abπ⋅db⋅ldf_{bu}=\frac{f_{y}\cdot A_{b}}{\pi\cdot d_{b} \cdot l_{d} }fbu​=π⋅db​⋅ld​fy​⋅Ab​​

Die Grundverankerungslänge auf Zug ldb ist in AASHTO LRFD (2014) Artikel 5.11.2.1.1 wie folgt festgelegt:

Für Stäbe Nr. 11 und kleiner:   lbd=max⁡(1.25⋅Ab⋅fyfc′, 0.4⋅db⋅fy)l_{bd}=\max\left(1.25\cdot\dfrac{A_{b}\cdot f_{y}}{\sqrt{f'_{c}}},\ 0.4\cdot d_{b}\cdot f_{y}\right)lbd​=max(1.25⋅fc′​​Ab​⋅fy​​, 0.4⋅db​⋅fy​)

Für Stäbe Nr. 14:   lbd=2.70⋅fyfc′l_{bd}=\dfrac{2.70\cdot f_{y}}{\sqrt{f'_{c}}}lbd​=fc′​​2.70⋅fy​​

Für Stäbe Nr. 18:   lbd=3.5⋅fyfc′l_{bd}=\dfrac{3.5\cdot f_{y}}{\sqrt{f'_{c}}}lbd​=fc′​​3.5⋅fy​​

mit:

  • Ab ist die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs (in2)
  • fy ist die festgelegte Streckgrenze der Bewehrung (ksi)
  • f'c festgelegte Druckfestigkeit des Betons nach 28 Tagen, sofern kein anderes Alter angegeben ist (ksi)
  • db ist der Durchmesser des Bewehrungsstabs (in)

Durch Multiplikation der Grundverankerungslänge ldb mit den in AASHTO LRFD (2014) Artikel 5.11.2.1.2 und 5.11.2.1.3 beschriebenen Faktoren wird anschließend die Verankerungslänge ld als Eingangsgröße bestimmt.

Die Modifikationsfaktoren aus 5.11.2.1.3, die die Verankerungslänge verringern, sind in der Anwendung stets gleich 1,0. Der Modifikationsfaktor für obere horizontale oder nahezu horizontale Bewehrung beträgt bei „schlechten“ Verbundbedingungen 1,4, entsprechend der folgenden Abbildung:

Fig. 6.3.1Description of bond conditions; a)  b) ‘good’ bond conditions for all bars;  c)  d) unhatched zone – ‘good’ bond conditions, hatched zone – ‘poor’ bond conditions\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.1\qquad Description of bond conditions; a)  b) ‘good’ bond conditions for all bars;  c)  d) unhatched zone – ‘good’ bond conditions, hatched zone – ‘poor’ bond conditions}}}Fig. 6.3.1Description of bond conditions; a)  b) ‘good’ bond conditions for all bars;  c)  d) unhatched zone – ‘good’ bond conditions, hatched zone – ‘poor’ bond conditions

Die Betonierrichtung kann in der Anwendung eingestellt werden.

Fig. 6.3.2Direction of concreting\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.2\qquad Direction of concreting}}}Fig. 6.3.2Direction of concreting

Alle übrigen in 5.11.2.1.2 festgelegten Faktoren sind gleich 1,0, da nur Normalbeton und nur unbeschichtete Bewehrung unterstützt werden.

Die Verbundschubspannung und die Verbundfestigkeit von Stäben auf Druck werden analog zu Stäben auf Zug berechnet, wobei jedoch die Gleichungen aus AASHTO LRFD (2014) Artikel 5.11.2.2 verwendet werden.

Es besteht außerdem die Möglichkeit, glatte Bewehrungsstäbe zu modellieren. Weitere Informationen finden Sie hier: Glatte Bewehrungsstäbe in Detail

Gesamtkraft Ftot und Grenzkraft Flim

Die Gesamtkraft Ftot ist ein Ergebnis der Finite-Elemente-Berechnung und kann auf zwei Arten definiert werden.

Ftot=Ab⋅fsF_{tot}=A_{b} \cdot f_{s}Ftot​=Ab​⋅fs​

wobei Ab die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs die Spannung im Stab ist.

Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.

Ftot=Fa+FbondF_{tot}=F_{a}+F_{bond}Ftot​=Fa​+Fbond​

wobei Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft ist, die durch Integration der Verbundspannung τb entlang der Länge des Bewehrungsstabs l erhalten werden kann.

Fbond=Cs⋅∫0lτb(x)dxF_{bond}=C_{s} \cdot \int_{0}^{l}\tau_{b}\left( x \right)dxFbond​=Cs​⋅∫0l​τb​(x)dx

Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabs.

Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabs unter Berücksichtigung der Festigkeit des Stabs sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Endhaken, Schlaufen usw.).

Flim=min(Flim,bond+Fau,Fu)F_{lim}=min\left( F_{lim,bond}+F_{au},F_{u} \right)Flim​=min(Flim,bond​+Fau​,Fu​)

Fu=fy,lim⋅AbF_{u}=f_{y,lim}\cdot A_{b}Fu​=fy,lim​⋅Ab​

Fau=β⋅fy,lim⋅AbF_{au}=\beta\cdot f_{y,lim}\cdot A_{b}Fau​=β⋅fy,lim​⋅Ab​

Flim,bond=Cs⋅l⋅fbuF_{lim,bond}=C_{s}\cdot l \cdot f_{bu}Flim,bond​=Cs​⋅l⋅fbu​

wobei Cs der Umfang des Bewehrungsstabs und l die Länge vom Beginn des Stabs bis zum betrachteten Punkt ist.

Fig. 6.3.3Definition of the limit force Flim\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.3\qquad Definition of the limit force Flim}}}Fig. 6.3.3Definition of the limit force Flim

Flim,2=Flim,1+Flim,addF_{lim,2}=F_{lim,1}+F_{lim,add}Flim,2​=Flim,1​+Flim,add​

wobei Flim,add die zusätzliche Kraft ist, die aus der Größe des Winkels zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.

Zu den in CSFM verfügbaren Verankerungsarten gehören ein gerader Stab (d. h. ohne Reduktion der Verankerung am Stabende), ein 90-Grad-Haken, ein 180-Grad-Haken, ideal starrer Verbund und ein durchlaufender Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β für die Längsbewehrung in Abb. 6.3.4 dargestellt. Die Werte der angesetzten Verankerungsbeiwerte werden aus dem Vergleich der Gleichung aus AASHTO LRFD (2014) 5.11.2.1 mit den Gleichungen aus AASHTO LRFD (2014) 5.11.2.4.1 abgeleitet. Es ist zu beachten, dass CSFM trotz der verschiedenen verfügbaren Optionen drei Arten von Verankerungsenden unterscheidet: (i) keine Reduktion der Verankerungslänge, (ii) eine Reduktion der Verankerungslänge um 30 % bei einer normgemäßen Verankerung und (iii) ideal starrer Verbund.

Fig. 6.3.4 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.4\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:}}}Fig. 6.3.4 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:

(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar\textsf{\textit{\footnotesize{(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar}}}(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar

Der Verankerungsbeiwert für Bügel (verfügbar für das Beam-Element) beträgt stets β = 1,0.

Um AASHTO zu entsprechen, sollte in der Berechnung die Verankerungsfeder verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, daher muss der Benutzer bei der Definition der Anfangs- und Endbedingungen der Bewehrung eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden. 

7 Tragwerksbezogene Nachweise nach der australischen Norm AS 3600

Die CSFM ist ein Berechnungsverfahren für Tragwerke, das die allgemeinen Regeln in den Kapiteln 6.1.1 und 6.1.2 erfüllt und in Kapitel 6.1.3 als (f) nichtlineare Spannungsanalyse definiert ist – weiterführend in Kapitel 6.6. 

Um die Anforderungen in den Abschnitten 6.6.4 und 6.6.5 zu erfüllen – weitere Informationen finden Sie in AS3600:2018 Sup 1:2022, Abschnitt C6.6 – wurden Verifizierungen und Validierungen des Verfahrens durchgeführt. Einzelne Artikel, die die Ergebnisse der Verifizierung und Validierung zusammenfassen, finden Sie unter folgendem Link.

  • Verifizierungen: Detail 3D

Da IDEA StatiCa Detail ein praxisorientiertes Bemessungsprogramm ist, wird für die Berechnungen die mit Teilsicherheitsbeiwerten abgeminderte charakteristische Zylinderdruckfestigkeit nach 28 Tagen f'c verwendet, wie im nächsten Kapitel beschrieben.

7.1 Materialmodelle im 3D-CSFM (AS 3600)

Beton - Festigkeit

Das in CSFM für Festigkeitsberechnungen implementierte Betonmodell basiert auf der parabolisch-plastischen Spannung-Dehnung-Kurve. Die Zugfestigkeit wird vernachlässigt, wie bei der klassischen Stahlbetonbemessung.

Fig. 7.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.1.1\qquad The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis}}}Fig. 7.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis

Die Implementierung von CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt für Beton unter Druck kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen (d. h. nach Erreichen der Spitzenspannung wird ein plastischer Ast mit εcp mit einem Maximalwert von 5 % angesetzt, während AS 3600 Cl. 8.3.1 eine Bruchdehnung von weniger als 0,3 % annimmt). Diese Vereinfachung erlaubt es nicht, die Verformungskapazität von Strukturen nachzuweisen, die unter Druck versagen. Die Festigkeit wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons über den in fib Model Code 2010 definierten Abminderungsfaktor ηfc\eta_{fc}ηfc​ berücksichtigt wird, wie folgt:

fc,lim′=α2⋅ϕs⋅ηfc⋅fc′f'_{c,lim}=\alpha_{2}\cdot\phi_{s} \cdot \eta_{fc}\cdot f'_{c}fc,lim′​=α2​⋅ϕs​⋅ηfc​⋅fc′​

ηfc=(30fc′)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f'_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fc′​30​)31​≤1

wobei:

α2 der Abminderungsfaktor der Betondruckfestigkeit nach AS 3600 Cl. 8.3.1 ist
Bei Verwendung eines Parabel-Rechteck-Diagramms ist es erforderlich, die maximale Druckspannung um diesen Faktor zu reduzieren. Dadurch wird die Spannungsverteilung in der Druckzone so gemittelt, dass die resultierende Druckfestigkeit kleiner oder gleich der Druckfestigkeit ist, die mit einem Spannung-Dehnung-Diagramm mit abfallendem plastischem Ast berechnet wird. Ein analoges Vorgehen ist für den Rechteck-Spannungsblock in Kapitel 8.1.3 definiert.

Φs ist der Abminderungsfaktor für die Spannung des Betons. Der Standardwert wird nach AS 3600 Table 2.2.3 festgelegt.

f'c ist die Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ηfc\eta_{fc}ηfc​).

Bewehrung

Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird ein ideal elastisch-plastisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit definierter Streckgrenze angesetzt, siehe AS 3600 Section 3.2. Für die Definition dieses Diagramms müssen nur die grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung bekannt sein – die Festigkeit und der Elastizitätsmodul.

Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann auch vom Benutzer definiert werden, in diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, den Zugverfestigungseffekt zu berücksichtigen (die Rissbreite kann nicht berechnet werden). 

Fig. 7.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.1.2 \qquad Stress-strain diagram of reinforcement}}}Fig. 7.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement

wobei:

Φs der Abminderungsfaktor der Festigkeit für die Bewehrung ist. Der Standardwert wird nach AS 3600 Table 2.2.3 festgelegt.

fy die Streckgrenze der Bewehrung ist

Es der Elastizitätsmodul der Bewehrung ist

Die Zugverfestigung (Fig. 7.1.3)  wird automatisch berücksichtigt, indem die eingegebene Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe erfasst wird (εm).

Fig. 7.1.3Scheme of tension stiffening.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.1.3\qquad Scheme of tension stiffening.}}}Fig. 7.1.3Scheme of tension stiffening.

7.2 Abminderungsfaktoren für Spannung und Festigkeit sowie Lastfaktoren

Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle ausschließlich Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwert-Format ohne Anpassung angewendet werden. Auf diese Weise werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt, und die charakteristischen Materialeigenschaften werden mithilfe der jeweiligen Spannungsreduktionsfaktoren abgemindert, genau wie bei der konventionellen Betonbemessung.

Die Werte der Spannungsreduktionsfaktoren sind in AUS 3600 Cl. 2.2.3 und in weiteren Abschnitten vorgeschrieben, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind.

Fig. 7.2.1The setting of stress reduction factors in IDEA StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.1\qquad The setting of stress reduction factors in IDEA StatiCa Detail.}}}Fig. 7.2.1The setting of stress reduction factors in IDEA StatiCa Detail.

Lastfaktoren für Festigkeitskombinationen sind gemäß AS 3600 Cl. 4.2.2 zu definieren. Lastfaktoren für Gebrauchstauglichkeitskombinationen sind gemäß Tabelle 4.1 zu bestimmen. Für alle Vorlagen sind die Lastfaktoren bereits vordefiniert.

Fig. 7.2.3The setting of load factors in Idea StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.2.3\qquad The setting of load factors in Idea StatiCa Detail.}}}Fig. 7.2.3The setting of load factors in Idea StatiCa Detail.

7.3 Festigkeits- und Verankerungsnachweise in Detail 3D

Die verschiedenen nach AS 3600 erforderlichen Nachweise werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells beurteilt. Die Nachweise erfolgen für die Betonfestigkeit, die Bewehrungsfestigkeit und die Verankerung (Verbundspannungen).

Festigkeit – Beton

Die Betonfestigkeit auf Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen äquivalenten Hauptspannung fc,eq (im vorherigen Text auch σc,eq genannt) aus der FE-Berechnung und dem Grenzwert f'c,lim ermittelt.

Die äquivalente Hauptspannung beschreibt die äquivalente einachsige Spannung für einen allgemeinen dreiachsigen Spannungszustand.

fc,eq=σc3−σc1f_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1}fc,eq​=σc3​−σc1​

Der Wert fc,eq kann daher direkt mit einachsigen Festigkeitsgrenzen verglichen werden. Dieser Ausdruck wird aus der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie abgeleitet, wobei der Winkel der inneren Reibung konservativ mit φ = 0° angenommen wird.

Festigkeit – Bewehrung

Die Festigkeit der Bewehrung wird sowohl für Zug als auch für Druck als Verhältnis zwischen der Spannung in der Bewehrung an den Rissen fs und dem festgelegten Grenzwert fsy,lim ermittelt.

fsy,lim=ϕs⋅fsyf_{sy,lim} = \phi_{s} \cdot f_{sy}fsy,lim​=ϕs​⋅fsy​

Festigkeit – Anker

Anker werden auf Normalspannungen ähnlich wie die Bewehrung nachgewiesen, wobei der Grenzwert fsy,lim bestimmt wird. 

Um die Orientierung im folgenden Text zu erleichtern, teilen wir die Verankerung zunächst hinsichtlich des Normnachweises nach AS 5216 und AS 4100 in drei Gruppen ein.

Gruppe 1

  • Verankerungsarten
    • Einbetonierte Platte
    • Fußplatte – Abstand = direkt 
    • Fußplatte – Abstand = Mörtelfuge – Mörteldicke kleiner als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
    • Einzelanker mit freier Länge kleiner als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker
    • Zug/Druck
      • Alle Materialien auf Zug – AS 5216 Kap. 6.2.2
      • Alle Ankerarten auf Druck – AS 4100 Kap. 6.3.3
    • Querkraft ohne Hebelarm
      • Alle Materialien – AS 5216 Kap. 7.2.2.2
    • Interaktion von Zug und Querkraft - AS 5216 Kap. 8.1.1

Gruppe 2

  • Verankerungsarten
    • Fußplatte – Abstand = Mörtelfuge – Mörteldicke größer als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker
    • Zug/Druck
      • Alle Materialien auf Zug – AS 5216 Kap. 6.2.2
      • Alle Ankerarten auf Druck – AS 4100 Kap. 6.3.3
    • Querkraft mit Hebelarm
      • Alle Materialien – AS 5216 Kap. 7.2.2.3

Ein Interaktionsnachweis nach AS 5216 ist für nachträglich eingebaute Befestigungselemente oder Ankerschienenschrauben unter Querkraftbeanspruchung mit Hebelarm nicht erforderlich, da diese Interaktion in Gleichung 7.2.2.3(2) berücksichtigt wird.

Gruppe 3

  • Verankerungsarten
    • Fußplatte – Abstand = Spalt
    • Einzelanker mit freier Länge größer als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker (ACI / AISC)
    • Zug/Druck (mit Knicken)
      • Alle Materialien auf Zug – AS 5216 Kap. 6.2.2 oder AS 4100 Kap. 9.2.2.2 (in den Einstellungen wählbar)
      • Alle Ankerarten auf Druck – AS 4100 Kap. 6.3.3
    • Biegung
      • Für alle Ankerarten – AS 4100 Kap. 5.1
    • Querkraft
      • Für alle Ankerarten – AS 4100 Kap. 5.11
  • Interaktion wird im Folgenden beschrieben

Zugwiderstand des Ankers nach AS 5216 Kap. 6.2.2

ϕNtf=ϕMs As fuf\phi N_{tf}=\phi_{Ms}\,A_s\,f_{uf}ϕNtf​=ϕMs​As​fuf​

mit:

  • ϕNtf – Bemessungswiderstand des Ankers auf Zug
  • ϕMs=5fyf6fuf≤11.4\phi_{Ms}=\dfrac{5 f_{yf}}{6 f_{uf}}\le \dfrac{1}{1.4}ϕMs​=6fuf​5fyf​​≤1.41​ – Abminderungsbeiwert für Anker auf Zug nach AS 5216 Tabelle 3.2.4
  • As – Spannungsquerschnitt auf Zug (durch das Gewinde reduziert)
  • fuf – festgelegte Zugfestigkeit des Ankerstahls 

Querkraftwiderstand des Ankers nach AS 5216 Kap. 7.2.2.2

Die Stahlfestigkeit bei Querkraft ohne Hebelarm wird wie folgt bestimmt:

ϕVRk,s=ϕMs 0.62 fuf A\phi V_{Rk,s}=\phi_{Ms}\,0.62\,f_{uf}\,AϕVRk,s​=ϕMs​0.62fuf​A

mit:

  • ϕVtf – Bemessungswiderstand des Ankers auf Querkraft
  • As  – Spannungsquerschnitt auf Zug (durch das Gewinde reduziert)
  • fuf – festgelegte Zugfestigkeit des Ankerstahls 
  • ϕMs={fyffuf≤0.8,when fuf≤800 MPa and fyffuf≤0.823,when fuf>800 MPa or fyffuf>0.8\phi_{Ms}=\begin{cases}\dfrac{f_{yf}}{f_{uf}} \le 0.8, & \text{when } f_{uf}\le 800~\text{MPa and } \dfrac{f_{yf}}{f_{uf}}\le 0.8 \\[8pt] \dfrac{2}{3}, & \text{when } f_{uf}> 800~\text{MPa or } \dfrac{f_{yf}}{f_{uf}}> 0.8 \end{cases}ϕMs​=⎩⎨⎧​fuf​fyf​​≤0.8,32​,​when fuf​≤800 MPa and fuf​fyf​​≤0.8when fuf​>800 MPa or fuf​fyf​​>0.8​

Der Bemessungswiderstand eines einzelnen Befestigungselements bei Stahlversagen, oder von Befestigungselementen mit einem Verhältnis hef / dnom < 5 und einer Betondruckfestigkeitsklasse < 20 MPa, ist ϕVtf mit dem Faktor 0,8 zu multiplizieren.

Querkraftwiderstand des Ankers nach AS 5216 Kap. 7.2.2.3

Die Stahlfestigkeit bei Querkraft mit Hebelarm wird wie folgt bestimmt:

ϕVRk,s,M=ϕMs αM MRk,sla\phi V_{Rk,s,M}=\phi_{Ms}\,\frac{\alpha_M\,M_{Rk,s}}{l_a}ϕVRk,s,M​=ϕMs​la​αM​MRk,s​​

mit:

  • αM = 2 – Parameter zur Berücksichtigung des Einspanngrades; es wird angenommen, dass die Anbauteile an einer Verdrehung gehindert sind – Abs. 4.2.2.4
  • MRk,s=MRk,s0(1−N∗ϕMs NRk,s)M_{Rk,s}=M_{Rk,s}^{0}\left(1-\dfrac{N^{*}}{\phi_{Ms}\,N_{Rk,s}}\right)MRk,s​=MRk,s0​(1−ϕMs​NRk,s​N∗​) – charakteristische Biegetragfähigkeit des Befestigungselements unter Einfluss der Normalkraft
  • la=a3+e1−lel_a = a_3 + e_1 - l_ela​=a3​+e1​−le​ – Länge des Hebelarms
  • a3=0.5 da_3 = 0.5\,da3​=0.5d – Abstand zwischen dem angenommenen Einspannpunkt des auf Querkraft beanspruchten Befestigungselements und der Betonoberfläche
  • e1=tg+tfix2e_1 = t_g + \dfrac{t_{fix}}{2}e1​=tg​+2tfix​​ – Exzentrizität der angreifenden Querkraft bezogen auf die Betonoberfläche, wobei die Dicke einer Ausgleichsschicht aus Vergussmörtel oder Mörtel vernachlässigt wird
  • tg – Dicke der Vergussmörtelschicht
  • tfix – Dicke der Fußplatte
  • d – Nenndurchmesser des Befestigungselements
  • N* – Bemessungswert der Zugkraft
  • ϕMs NRk,s – Zugtragfähigkeit eines Befestigungselements bei Stahlversagen
  • MRk,s0=1.2 Wel fufM_{Rk,s}^{0}=1.2\,W_{el}\,f_{uf}MRk,s0​=1.2Wel​fuf​ – charakteristische Biegetragfähigkeit des Befestigungselements – ETAG 001 – Anhang C
  • Wel=πds332W_{el}=\dfrac{\pi d_s^{3}}{32}Wel​=32πds3​​ – elastisches Widerstandsmoment des Befestigungselements, mit durch das Gewinde reduziertem Durchmesser
  • ds=4Asπd_s=\sqrt{\dfrac{4A_s}{\pi}}ds​=π4As​​​ – wird bei Gewindestangen und Unterlegplatten anstelle des Nenndurchmessers d verwendet
  • ϕMs={fyffuf≤0.8,when fuf≤800 MPa and fyffuf≤0.823,when fuf>800 MPa or fyffuf>0.8\phi_{Ms}=\begin{cases}\dfrac{f_{yf}}{f_{uf}} \le 0.8, & \text{when } f_{uf}\le 800~\text{MPa and } \dfrac{f_{yf}}{f_{uf}}\le 0.8 \\[8pt] \dfrac{2}{3}, & \text{when } f_{uf}> 800~\text{MPa or } \dfrac{f_{yf}}{f_{uf}}> 0.8 \end{cases}ϕMs​=⎩⎨⎧​fuf​fyf​​≤0.8,32​,​when fuf​≤800 MPa and fuf​fyf​​≤0.8when fuf​>800 MPa or fuf​fyf​​>0.8​

Interaktion von Zug und Querkraft nach AS 5216 Kap. 8.1.1

(N∗ϕNRk,s)2+(V∗ϕVRk,s)2≤1.0\left(\frac{N^{*}}{\phi N_{Rk,s}}\right)^{2}+\left(\frac{V^{*}}{\phi V_{Rk,s}}\right)^{2}\le 1.0(ϕNRk,s​N∗​)2+(ϕVRk,s​V∗​)2≤1.0

Dabei ist:

  • N* – Bemessungswert der Zugkraft, die auf ein einzelnes Befestigungselement wirkt
  • V* – Bemessungswert der Querkraft, die auf ein einzelnes Befestigungselement wirkt 
  • ϕNRk,s – Bemessungswert derZugfestigkeit eines einzelnen Befestigungselements
  • ϕVRk,s – Bemessungswert der Querkraftfestigkeit eines einzelnen Befestigungselements

Zugwiderstand des Ankers nach AS 4100 Kap. 9.2.2.2

Ntf∗≤ϕa,tAsfufN_{tf}^{*}\le \phi_{a,t} A_s f_{uf}Ntf∗​≤ϕa,t​As​fuf​

mit:

  • As – Spannungsquerschnitt auf Zug (durch das Gewinde reduziert) gemäß AS 1275
  • ϕa,t – Beiwert der Tragfähigkeit für Schrauben nach AS 4100 Tabelle 3.4

Druckwiderstand des Ankers nach AS 4100 Kap. 6.3.3

ϕNc=ϕ αc Ns=ϕ αc kf As fy≤ϕNs\phi N_c=\phi\,\alpha_c\,N_s=\phi\,\alpha_c\,k_f\,A_s\,f_y \le \phi N_sϕNc​=ϕαc​Ns​=ϕαc​kf​As​fy​≤ϕNs​

mit:

  • ϕa,c – Beiwert der Tragfähigkeit für Schrauben nach AS 4100 Tabelle 3.4
  • Nc=αc Ns≤NsN_c=\alpha_c\,N_s \le N_sNc​=αc​Ns​≤Ns​ – nominelle Bauteiltragfähigkeit – Abs. 6.3.3
  • Ns=kf As fyN_s=k_f\,A_s\,f_yNs​=kf​As​fy​ – nominelle Querschnittstragfähigkeit – Abs. 6.2
  • fy – Streckgrenze des Ankers
  • le=ke ll_e=k_e\,lle​=ke​l – effektive Länge – Abs. 6.3.2
  • ke = 2 – Beiwert der effektiven Länge des Bauteils; es wird konservativ angenommen, dass der Anker unten eingespannt und oben gelenkig gelagert ist (verschiebliches Bauteil)
  • l=lgap+d2+tp2l = l_{gap}+\dfrac{d}{2}+\dfrac{t_p}{2}l=lgap​+2d​+2tp​​ – angenommene Länge des Bauteils
  • lgap – Höhe des Spalts
  • d – Nenndurchmesser der Schraube
  • tp – Dicke der Fußplatte
  • αc=ξ[ 1− 1−(90ξ λ)2 ]\alpha_c=\xi\left[\,1-\sqrt{\,1-\left(\dfrac{90}{\xi\,\lambda}\right)^2}\,\right]αc​=ξ​1−1−(ξλ90​)2​​ – Abminderungsbeiwert für die Bauteilschlankheit
  • ξ=(λ90)2+1+η2(λ90)2\xi=\frac{\left(\dfrac{\lambda}{90}\right)^2+1+\eta}{2\left(\dfrac{\lambda}{90}\right)^2}ξ=2(90λ​)2(90λ​)2+1+η​
  • λ=λn+αaαb\lambda=\lambda_n+\alpha_a\alpha_bλ=λn​+αa​αb​
  • η=0.00326(λ−13.5)≥0\eta=0.00326(\lambda-13.5)\ge 0η=0.00326(λ−13.5)≥0
  • λn=(ler)kf fy250\lambda_n=\left(\frac{l_e}{r}\right)\sqrt{k_f}\,\sqrt{\dfrac{f_y}{250}}λn​=(rle​​)kf​​250fy​​​
  • αa=2100(λn−13.5)λn2−15.3λn+2050\alpha_a=\dfrac{2100(\lambda_n-13.5)}{\lambda_n^2-15.3\lambda_n+2050}αa​=λn2​−15.3λn​+20502100(λn​−13.5)​
  • αb = 0,5 – Querschnittskonstante für Druckbauteile – Tabelle 6.3.3
  • kf = 1 – Formbeiwert – Abs. 6.2.2
  • r=IsAsr=\sqrt{\dfrac{I_s}{A_s}}r=As​Is​​​ – Trägheitsradius
  • Is=164 πds4I_s=\dfrac{1}{64}\,\pi d_s^{4}Is​=641​πds4​ – Flächenträgheitsmoment
  • As – Spannungsquerschnitt einer Schraube gemäß AS 1275
  • ds=4Asπd_s=\sqrt{\dfrac{4A_s}{\pi}}ds​=π4As​​​ – durch das Gewinde reduzierter Durchmesser

Biegewiderstand des Ankers nach AS 4100 Kap. 5.1

ϕMs=ϕ fy Ze\phi M_s=\phi\,f_y\,Z_eϕMs​=ϕfy​Ze​

mit:

  • ϕa,b – Beiwert der Tragfähigkeit für Schrauben nach AS 4100 Tabelle 3.4
  • fy – Streckgrenze des Ankers
  • Ze=min⁡(S, 1.5 Z)Z_e=\min\left(S,\,1.5\,Z\right)Ze​=min(S,1.5Z) – wirksames Widerstandsmoment – Abs. 5.2.3
  • S=d36S=\dfrac{d^{3}}{6}S=6d3​ – plastisches Widerstandsmoment; bei vorhandenem Gewinde wird der Nenndurchmesser d durch den durch das Gewinde reduzierten Durchmesser ds ersetzt
  • Z=132 πd3Z=\dfrac{1}{32}\,\pi d^{3}Z=321​πd3 – elastisches Widerstandsmoment; bei vorhandenem Gewinde wird der Nenndurchmesser d durch den durch das Gewinde reduzierten Durchmesser ds ersetzt

Querkraftwiderstand des Ankers nach AS 4100 Kap. 5.11

ϕVw=0.6 fy Aw\phi V_w = 0.6\,f_y\,A_wϕVw​=0.6fy​Aw​

mit:

  • ϕ – Beiwert der Tragfähigkeit für Schrauben nach AS 4100 Tabelle 3.4
  • fy – Streckgrenze des Ankers
  • Aw = 0,844 As – Schubfläche
  • As – Spannungsquerschnitt auf Zug (durch das Gewinde reduziert)

Interaktion von Zug und Biegung 

Ntf∗ϕNt+M∗ϕMs≤1\frac{N_{tf}^{*}}{\phi N_t}+\frac{M^{*}}{\phi M_s}\le 1ϕNt​Ntf∗​​+ϕMs​M∗​≤1

mit:

  • N*tf   – Bemessungswert der Zugkraft
  • ϕNt – Bemessungswiderstand des Ankers auf Zug
  • M*   – Bemessungswert des Biegemoments infolge Querkraft am Hebelarm
  • ϕMs – Bemessungswiderstand des Ankers auf Biegung

Interaktion von Druck und Biegung

N∗ϕNc+M∗ϕMs≤1\frac{N^{*}}{\phi N_c}+\frac{M^{*}}{\phi M_s}\le 1ϕNc​N∗​+ϕMs​M∗​≤1

mit:

  • N*   – Bemessungswert der Druckkraft
  • ϕNc – Bemessungswiderstand des Ankers auf Druck
  • M*   – Bemessungswert des Biegemoments infolge Querkraft am Hebelarm
  • ϕMs – Bemessungswiderstand des Ankers auf Biegung

Quetschen des Betons an der Kontaktfläche zwischen Anker und Beton

Der Querkraftwiderstand des Ankers wird auch im Hinblick auf das Quetschen des Betons an der Kontaktfläche zwischen Anker und Beton begrenzt. Die Grenzwerte und das Verfahren zu ihrer Bestimmung sind im Artikel Querkraftverhalten von Ankern in Stahlbeton ausführlich beschrieben. Sobald die Kontaktkraft diesen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung beendet, bevor der Widerstand überschritten wird.​ 

Nachweis des Auszugversagens bei Ankern mit Kopf (Unterlegplatten und Kopfbolzen)

Für Anker mit Kopf ist ein zusätzliches Abbruchkriterium implementiert, das die Pressung (das Quetschen) des Betons über dem Ankerkopf – Auszug – überprüft. Während der Berechnung wird die über den Kontakt zwischen Kopf und Beton übertragene Druckkraft überwacht und mit dem Grenzwert nach AS 5216:2021 Abs. 6.3.4 (Auszugversagen von Befestigungen mit Kopf) verglichen.

NRd,p=ΦMp⋅k2⋅Ah⋅fc′N_{Rd,p} = \Phi_{Mp} \cdot k_{2} \cdot A_{h} \cdot f'_{c}NRd,p​=ΦMp​⋅k2​⋅Ah​⋅fc′​
​

mit:

  • ΦMp\Phi_{Mp}ΦMp​ ist der Abminderungsbeiwert – Tabelle 3.2.4
  • Ah ist die lastübertragende Fläche des Kopfes des Befestigungselements (ohne die Schaftfläche). 
  • f'c ist die festgelegte Druckfestigkeit des Betons
  • k2 wird stets mit 7,5 angesetzt, d. h. mit dem Wert für gerissenen Beton. Dies steht im Einklang mit dem in Detail verwendeten CSFM-Ansatz, bei dem die Zugfestigkeit des Betons vernachlässigt und der Beton auf Zug als gerissen angenommen wird.

Sobald die Kontaktkraft diesen normbasierten Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung beendet, bevor der Bemessungswiderstand gegen Auszug überschritten wird.​ 

Verankerung -  Verbundspannung

Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis zwischen der mittels FE-Berechnung ermittelten Verbundspannung τb und dem Bemessungswert der Verbundbruchspannung fbu ausgewertet.

Zur Bestimmung des Bemessungswerts der Verbundbruchspannung fbu wird in der Anwendung die Formel C13.1.2.2 aus AS3600:2018 Sup 1:2022 herangezogen.

fbu=k2k1⋅k3⋅(0.5⋅fc′)f_{bu}=\frac{k_{2}}{k_{1} \cdot k_{3}} \cdot (0.5 \cdot \sqrt{f'_{c}})fbu​=k1​⋅k3​k2​​⋅(0.5⋅fc′​​)

Dabei ist f'c ≤ 65 MPa (in der Formel in MPa), und die k-Faktoren werden nach AS 3600 Abs. 13.1.2.2 wie folgt bestimmt:

k3 = 0,7                                 (konservativer Wert für jegliche Bewehrung)
k2 = (132 - db) / 100            &nbsp  (db ist der Durchmesser des Bewehrungsstabs in Millimetern)
= 1,3 für einen waagerechten Stab mit mehr als 300 mm darunter eingebrachtem Beton, andernfalls 1,0

k1 wird automatisch aus der Lage der Bewehrung im Modell und aus der Betonierrichtung abgeleitet, die in der Anwendung für jedes Projektelement wie folgt festgelegt werden kann.

Fig. 7.3.1Direction of concreting\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.1\qquad Direction of concreting}}}Fig. 7.3.1Direction of concreting

Die Grundverankerungslänge Lsy,tb wird nach Formel 13.1.2.2 in AS 3600 wie folgt berechnet:

Lsy,tb=0.5⋅k1⋅k3⋅fsy⋅dbk2⋅fc′≥29⋅k1⋅dbL_{sy,tb}=\frac{0.5\cdot k_{1}\cdot k_{3}\cdot f_{sy}\cdot d_{b}}{k_{2}\cdot \sqrt{f'_{c}}}\ge 29 \cdot k_{1}\cdot d_{b}Lsy,tb​=k2​⋅fc′​​0.5⋅k1​⋅k3​⋅fsy​⋅db​​≥29⋅k1​⋅db​

Wie die Formel zeigt, ist die Grundverankerungslänge Lsy,tb nach unten begrenzt. Daher muss der Bemessungswert der Verbundbruchspannung fbu in der Anwendung in gleicher Weise begrenzt werden, sodass Folgendes gilt:

fbu≤fsy116⋅k1f_{bu}\le \frac{f_{sy}}{116 \cdot k_{1}}fbu​≤116⋅k1​fsy​​

Dabei ist fsy in MPa einzusetzen.

Die Herleitung der Begrenzung von fbu lautet wie folgt:

fbu=fsy⋅Asπ⋅db⋅Lsy,tb=fsy⋅π⋅db24⋅π⋅db⋅29⋅k1⋅db=fsy116⋅k1f_{bu}= \frac{f_{sy}\cdot A_{s}}{ \pi \cdot d_{b} \cdot L_{sy,tb}}=\frac{f_{sy}\cdot \pi \cdot d_{b}^{2}}{4 \cdot \pi \cdot d_{b} \cdot 29 \cdot k{1} \cdot d_{b}} =\frac{f_{sy}}{116 \cdot k_{1}}fbu​=π⋅db​⋅Lsy,tb​fsy​⋅As​​=4⋅π⋅db​⋅29⋅k1⋅db​fsy​⋅π⋅db2​​=116⋅k1​fsy​​

Gesamtkraft Ftot und Grenzkraft Flim

Die Gesamtkraft Ftot ist ein Ergebnis der FE-Berechnung und kann auf zwei Arten definiert werden.

Ftot=As⋅fsF_{tot}=A_{s} \cdot f_{s}Ftot​=As​⋅fs​

Dabei ist As die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs die Spannung im Stab.

Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.

Ftot=Fa+FbondF_{tot}=F_{a}+F_{bond}Ftot​=Fa​+Fbond​

Dabei ist Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft, die sich durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge des Bewehrungsstabs l ergibt.

Fbond=Cs⋅∫0lτb(x)dxF_{bond}=C_{s} \cdot \int_{0}^{l}\tau_{b}\left( x \right)dxFbond​=Cs​⋅∫0l​τb​(x)dx

Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabs.

Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabs unter Berücksichtigung der Festigkeit des Stabs sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Verankerungshaken, Schlaufen usw.).

Flim=min(Flim,bond+Fau,Fu)F_{lim}=min\left( F_{lim,bond}+F_{au},F_{u} \right)Flim​=min(Flim,bond​+Fau​,Fu​)

Fu=fy,lim⋅AsF_{u}=f_{y,lim}\cdot A_{s}Fu​=fy,lim​⋅As​

Fau=β⋅fy,lim⋅AsF_{au}=\beta\cdot f_{y,lim}\cdot A_{s}Fau​=β⋅fy,lim​⋅As​

Flim,bond=Cs⋅l⋅fbuF_{lim,bond}=C_{s}\cdot l \cdot f_{bu}Flim,bond​=Cs​⋅l⋅fbu​

wobei Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabs, und l ist die Länge vom Beginn des Bewehrungsstabs bis zum betrachteten Punkt.

Fig. 7.3.2Definition of the limit force Flim\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.2\qquad Definition of the limit force Flim}}}Fig. 7.3.2Definition of the limit force Flim

Flim,2=Flim,1+Flim,addF_{lim,2}=F_{lim,1}+F_{lim,add}Flim,2​=Flim,1​+Flim,add​

Dabei ist Flim,add die zusätzliche Kraft, die aus der Größe des Winkels zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.

Die in CSFM verfügbaren Verankerungsarten umfassen einen geraden Stab (d. h. ohne Reduktion am Verankerungsende), Standard-Winkelhaken, Standard-Haken, idealen Verbund und durchlaufenden Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Abb. 7.3.3 für die Längsbewehrung dargestellt. Die angesetzten Werte der Verankerungsbeiwerte sind aus AS 3600 Abs. 13.1.2 abgeleitet. Es ist zu beachten, dass CSFM drei Arten von Verankerungsenden unterscheidet: (i) keine Reduktion der Verankerungslänge, (ii) eine Reduktion der Verankerungslänge um 50 % bei einer genormten Verankerung und (iii) idealer Verbund.

Fig. 7.3.3 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.3\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:}}}Fig. 7.3.3 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:

(a) straight bar; (b) Standard cog; (c) Standard hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar\textsf{\textit{\footnotesize{(a) straight bar; (b) Standard cog; (c) Standard hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar}}}(a) straight bar; (b) Standard cog; (c) Standard hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar

Der Verankerungsbeiwert für Bügel beträgt stets β = 1,0.

Um AS 3600 einzuhalten, sollte in der Berechnung die Verankerungsfeder verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, daher muss der Benutzer bei der Definition der Anfangs- und Endbedingungen der Bewehrung eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden. 

8 Tragwerksbezogene Nachweise nach CSA A23.3:24

Die CSFM ist ein Berechnungsverfahren für Tragwerke, das die in CSA A23.3:24, Abschnitt 9.5 gestellten Anforderungen an Berechnungen mit finiten Elementen erfüllt. Die Auswirkungen der Rissbildung werden direkt in den Materialmodellen berücksichtigt (Abschnitt 9.5.1), und die Verankerung der Bewehrung wird explizit erfasst (Abschnitt 9.5.3). Da die CSFM ein kontinuierliches Spannungsfeldverfahren ist, steht sie zudem im Einklang mit der nach Abschnitt 9.4 zulässigen Berechnung mit Strebe-und-Zugband-Modellen. Die in Abschnitt 11.4.2.3 angegebene Begrenzung der Druckspannung in Druckstreben wird in der begrenzten Druckfestigkeit des Betons berücksichtigt (siehe die Definition der Faktoren α und kc2 weiter unten).

Die Verifizierung und Validierung des Verfahrens wurde an verschiedenen Universitäten durchgeführt. Einzelne Artikel, die die Ergebnisse der Verifizierung und Validierung zusammenfassen, finden Sie unter folgendem Link.

  • Verifizierungen: Detail 3D

Da IDEA StatiCa Detail ein praxisorientiertes Bemessungsprogramm ist, wird für die Berechnungen die mit Faktoren abgeminderte festgelegte Druckfestigkeit des Betons f'c verwendet, wie im nächsten Kapitel beschrieben.

8.1 Materialmodelle in 3D CSFM (CSA)

Beton - Festigkeit

Das in CSFM für Festigkeitsberechnungen implementierte Betonmodell basiert auf der parabolisch-plastischen Spannung-Dehnung-Kurve. Die Zugfestigkeit wird wie in der klassischen Stahlbetonbemessung vernachlässigt. Für die Bemessungsnorm CSA wird nur das Parabel-Rechteck-Diagramm für Beton unterstützt.

Fig. 8.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.1.1\qquad The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis}}}Fig. 8.1.1The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis

Die Implementierung von CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druck (d. h., nach Erreichen der Spitzenspannung wird ein plastischer Ast mit einem Maximalwert von εc von 5 % angesetzt, während CSA A23.3:24 Abschnitt 10.1.3 eine maximale Betondruckdehnung von 0,0035 annimmt). Diese Vereinfachung erlaubt es nicht, die Verformungskapazität von Strukturen, die unter Druck versagen, nachzuweisen. Die Festigkeit wird jedoch korrekt vorhergesagt, wenn die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons über den Abminderungsfaktor ηfc berücksichtigt wird, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:

fc,lim′=α⋅ϕc⋅ηfc⋅fc′f'_{c,lim}=\alpha \cdot\phi_{c} \cdot \eta_{fc}\cdot f'_{c}fc,lim′​=α⋅ϕc​⋅ηfc​⋅fc′​

ηfc=(30fc′)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f'_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fc′​30​)31​≤1

mit:

α ist der Faktor, der die Unterschiede zwischen der Festigkeit im Bauwerk und der Festigkeit des Standardzylinders gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 10.1.6 berücksichtigt. Die Anmerkung zu diesem Abschnitt verlangt, dass Spannungsblöcke auf Spannung-Dehnung-Kurven mit einer Spitzenspannung von höchstens 0,9 f'c basieren. Der Faktor stimmt außerdem mit der Anforderung überein, die Druckspannung in Druckstreben gemäß Abschnitt 11.4.2.3 zu begrenzen. Der Standardwert beträgt 0,85 und kann in den Projekteinstellungen geändert werden.
Hinweis: α ist ein einzelner, vom Benutzer definierter Wert, der auf das Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramm angewendet wird. Er darf nicht mit dem Faktor α1 der äquivalenten rechteckigen Betonspannungsverteilung verwechselt werden, den CSA A23.3:24 Abschnitt 10.1.7 als festigkeitsabhängig definiert (α1 = 0,85 − 0,0015 f'c ≥ 0,67, Gleichung 10.1).

Φc ist der Widerstandsbeiwert für Beton gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 8.4.2. 

f'c ist die festgelegte Druckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ηfc)

Bewehrung

Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird ein ideal elastisch-plastisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit definierter Streckgrenze angesetzt. Die Bewehrungswerkstoffe sind in CSA G30.18:21 definiert. Für die Definition dieses Diagramms müssen nur die grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung bekannt sein – die Festigkeit und der Elastizitätsmodul.

Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann auch vom Benutzer definiert werden. In diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, den Zugverfestigungseffekt zu berücksichtigen (die Rissbreite kann nicht berechnet werden). 

Fig. 8.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.1.2 \qquad Stress-strain diagram of reinforcement}}}Fig. 8.1.2 Stress-strain diagram of reinforcement

mit:

Φs ist der Widerstandsbeiwert für Bewehrung gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 8.4.3.

fsy ist die Streckgrenze der Bewehrung

Es ist der Elastizitätsmodul der Bewehrung

Als Grenzdehnung, bei der die Berechnung abgebrochen wird, ist 10 % gewählt. Dies wird auf Grundlage von ASTM A955/A955M-20c Artikel 7 als sicher angesehen.

Die Zugverfestigung (Abb. 8.1.3) wird automatisch berücksichtigt, indem die Eingabe-Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass sie die mittlere Steifigkeit von im Beton eingebetteten Stäben (εm) erfasst.

Fig. 8.1.3Scheme of tension stiffening.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.1.3\qquad Scheme of tension stiffening.}}}Fig. 8.1.3Scheme of tension stiffening.

8.2 Widerstands- und Lastbeiwerte

Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwertformat ohne Anpassung angewendet werden. Dabei werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt und die festgelegten Materialeigenschaften mit den jeweiligen Widerstandsbeiwerten abgemindert, genau wie bei der konventionellen Betonberechnung.

Die Werte der Widerstandsbeiwerte des Materials für Beton und Bewehrung sind in CSA A23.3:24 Abschnitt 8.4 vorgeschrieben. Da das 3D-Modell den Normnachweis von Ankern umfasst, sind zusätzlich die Widerstandsbeiwerte aus CSA A23.3:24 Anhang D und aus CSA S16:24 erforderlich.

Fig. 8.2.1The setting of stress reduction factors in IDEA StatiCa Detail.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.2.1\qquad The setting of stress reduction factors in IDEA StatiCa Detail.}}}Fig. 8.2.1The setting of stress reduction factors in IDEA StatiCa Detail.

Die Widerstandsmodifikationsbeiwerte für Anker sind in CSA A23.3:24 Abschnitt D.5.3 vorgeschrieben. 

Der Stahlwiderstand von Ankern mit Abstand (Stand-off) wird nach CSA S16:24 bestimmt. Dafür sind der Widerstandsbeiwert für Ankerstangen nach Abschnitt 13.1 i) und der Parameter für den Druckwiderstand nach Abschnitt 13.3.1.1 erforderlich.

Die Koeffizienten zur Berücksichtigung des Ankerstangendurchmessers und zur Kalibrierung der Schubspannung sind in Abschnitt 25.4.3 vorgeschrieben. Der Durchmesserkoeffizient kd geht in die Zugspannungsfläche An = 0,75 kd Aar nach Abschnitt 25.4.3.1.1 und in die Schubspannungsfläche nach Abschnitt 25.4.3.2 ein:

Lastfaktoren und Lastkombinationen sind gemäß der maßgebenden Bauordnung zu bestimmen, wie in CSA A23.3:24 Abschnitt 8.2.1 und Abschnitt 8.3.1 gefordert. CSA A23.3:24 selbst legt Anforderungen in Übereinstimmung mit dem National Building Code of Canada (Abschnitt 1.1) fest. Eine angepasste Fassung der Regelungen zu den Lastkombinationen ist in CSA A23.3:24 Anhang C (informativ) wiedergegeben. . 

Es liegt in der Verantwortung des Anwenders, die Lastkombinationen festzulegen, die für die zu bewertende Struktur und für die von der zuständigen Behörde vorgeschriebene Normausgabe maßgebend sind.

3D-Modelle liefern nur Ergebnisse für Festigkeitsnachweise, daher werden ausschließlich GZT-Kombinationen ausgewertet.

8.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit in Detail 3D

Die verschiedenen von CSA A23.3:24 geforderten Nachweise werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Festigkeit der Bewehrung, die Anker und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.

Festigkeit - Beton

Die Betonfestigkeit unter Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen äquivalenten Hauptspannung fc,eq (im vorherigen Text auch σc,eq ), die aus der FE-Analyse erhalten wird, und dem Grenzwert f'c,lim ausgewertet.

Die äquivalente Hauptspannung drückt die äquivalente einachsige Spannung für einen allgemeinen dreiachsigen Spannungszustand aus.

fc,eq=σc3−σc1f_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1}fc,eq​=σc3​−σc1​

Der Wert fc,eq kann daher direkt mit einachsigen Festigkeitsgrenzen verglichen werden. Dieser Ausdruck wird aus der Anwendung der Mohr-Coulomb-Plastizitätstheorie abgeleitet, wobei auf der sicheren Seite ein Winkel der inneren Reibung von φ = 0° angenommen wird.

Festigkeit - Bewehrung

Die Festigkeit der Bewehrung wird sowohl für Zug als auch für Druck als Verhältnis zwischen der Spannung in der Bewehrung an den Rissen fs und dem festgelegten Grenzwert fsy,lim ausgewertet.

fsy,lim=ϕs⋅fsyf_{sy,lim} = \phi_{s} \cdot f_{sy}fsy,lim​=ϕs​⋅fsy​

Festigkeit - Anker

Anker werden für Normalspannungen in ähnlicher Weise wie die Bewehrung nachgewiesen, wobei der Grenzwert fy,lim bestimmt wird. 

Vollständige Normnachweise für Anker nach der kanadischen Norm erfordern die Bestimmungen sowohl von CSA A23.3:24 Anhang D als auch von CSA S16:24. Diese Aufteilung folgt CSA S16:24 Abschnitt 25.1, wonach der Stahlwiderstand von einbetonierten Ankerstangen nach Abschnitt 25.4.3 dieser Norm und der Betonwiderstand nach CSA A23.3, Anhang D, bestimmt wird.

Der maßgebende Versagensmechanismus hängt von der Geometrie des Systems aus Fußplatte und Ankern ab. Um die Orientierung im folgenden Text zu erleichtern, wird die Verankerung hinsichtlich des Normnachweises zunächst in drei Gruppen unterteilt.

Gruppe 1

  • Verankerungstypen
    • Einbetonierte Platte
    • Fußplatte - Abstand = direkt 
    • Fußplatte - Abstand = Mörtelfuge - Mörteldicke kleiner als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
    • Einzelanker mit überstehender Länge kleiner als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers
  • Normnachweise der Anker 
    • Zug/Druck
      • Alle Ankertypen unter Zug – CSA A23.3:24 Abschnitt D.6.1.2  
      • Alle Ankertypen unter Druck – CSA S16:24 Abschnitt 13.3.1.1
    • Querkraft ohne Hebelarm
      • Kopfbolzen – CSA A23.3:24 Abschnitt D.7.1.2 a)
      • Anker aus Schraubenwerkstoff und Bewehrung: CSA A23.3:24 Abschnitt D.7.1.2 b)
    • Interaktion von Zug und Querkraft - CSA A23.3:24 Tabelle D.1

Gruppe 2

  • Verankerungstypen
    • Fußplatte - Abstand = Mörtelfuge - Mörteldicke größer als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers

Die Normnachweise der Anker entsprechen denen der Gruppe 1, mit der Ausnahme, dass der Querkraftwiderstand mit einem Hebelarm nach CSA A23.3:24 Abschnitt D.7.1.3 bestimmt wird, der den Abminderungsbeiwert für Anker bei aufgebauten Vergussmörtelbetten einführt.

Gruppe 3

  • Verankerungstypen
    • Fußplatte - Abstand = Spalt
    • Einzelanker mit überstehender Länge größer als das 0,5-fache des Ankerdurchmessers

Für diese Gruppe wirkt der Anker als kurzes Stahlbauteil, und der Normnachweis wird daher vollständig nach CSA S16:24 geführt:

  • Normnachweise der Anker
    • Zug/Druck (mit Knicken)
      • Alle Ankertypen unter Zug – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.1.1
      • Alle Ankertypen unter Druck – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.1.2 mit Abschnitt 13.3.1.1
    • Biegung
      • Für alle Ankertypen – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.3
    • Querkraft
      • Für alle Ankertypen – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.2

Zugwiderstand des Ankers – CSA A23.3:24 Abschnitt D.6.1.2 (Gruppe 1 und Gruppe 2)

Nsar=ϕs RN Ase,N futaN_{sar}=\phi_{s}\,R_{N}\,A_{se,N}\,f_{uta}Nsar​=ϕs​RN​Ase,N​futa​

mit:

  • ϕs – der Widerstandsbeiwert für Bewehrung und eingebettete Stahlanker nach Abschnitt 8.4.3
  • RN – der Widerstandsmodifikationsbeiwert für den auf Zug beanspruchten Anker nach Abschnitt D.5.3
  • Ase,N – die wirksame Querschnittsfläche des Ankers unter Zug
  • futa – die Zugfestigkeit des Ankerstahls, die nicht größer als 1,9 fya und 860 MPa angesetzt werden darf

Querkraftwiderstand des Ankers – CSA A23.3:24 Abschnitt D.7.1.2 (Gruppe 1)

Für Kopfbolzen ohne Hebelarm nach Abschnitt D.7.1.2 a):

Vsar=ϕs RV Ase,V futaV_{sar}=\phi_{s}\,R_{V}\,A_{se,V}\,f_{uta}Vsar​=ϕs​RV​Ase,V​futa​

Für Anker aus Schraubenwerkstoff und für Bewehrung ohne Hebelarm nach Abschnitt D.7.1.2 b):

Vsar=ϕs RV 0.6 Ase,V futaV_{sar}=\phi_{s}\,R_{V}\,0.6\,A_{se,V}\,f_{uta}Vsar​=ϕs​RV​0.6Ase,V​futa​

mit:

  • RV – der Widerstandsmodifikationsbeiwert für den auf Querkraft beanspruchten Anker nach Abschnitt D.5.3
  • Ase,V – die wirksame Querschnittsfläche des Ankers unter Querkraft

Querkraftwiderstand des Ankers – CSA A23.3:24 Abschnitt D.7.1.2 mit D.7.1.3 (Gruppe 2)

Wird der Anker bei einem aufgebauten Vergussmörtelbett verwendet, wird der oben bestimmte Querkraftwiderstand nach Abschnitt D.7.1.3 mit dem Faktor g abgemindert. Für Kopfbolzen:

Vsar=ϕs RV Ase,V futa gV_{sar}=\phi_{s}\,R_{V}\,A_{se,V}\,f_{uta}\,gVsar​=ϕs​RV​Ase,V​futa​g

und für Anker aus Schraubenwerkstoff und für Bewehrung:

Vsar=ϕs RV 0.6 Ase,V futa gV_{sar}=\phi_{s}\,R_{V}\,0.6\,A_{se,V}\,f_{uta}\,gVsar​=ϕs​RV​0.6Ase,V​futa​g

mit g = 0,8 als Abminderungsbeiwert für den Anker bei aufgebauten Vergussmörtelbetten nach Abschnitt D.7.1.3.

Interaktion von Zug und Querkraft im Stahl – CSA A23.3:24 Tabelle D.1 (Gruppe 1 und Gruppe 2)

(NfaNsar)2+(VfaVsar)2≤1.0{\left(\frac{N_{fa}}{N_{sar}}\right)}^{2}+{\left(\frac{V_{fa}}{V_{sar}}\right)}^{2}\le 1.0(Nsar​Nfa​​)2+(Vsar​Vfa​​)2≤1.0

mit:

  • Nfa – die Bemessungszugkraft und Nsar der Bemessungswiderstand des Ankers unter Zug
  • Vfa – die Bemessungsquerkraft und Vsar der Bemessungswiderstand des Ankers unter Querkraft

Zugwiderstand des Ankers – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.1.1 (Gruppe 3)

Tsar=ϕar An FuT_{sar}=\phi_{ar}\,A_{n}\,F_{u}Tsar​=ϕar​An​Fu​

An=0.75 kd AarA_{n}=0.75\,k_{d}\,A_{ar}An​=0.75kd​Aar​

mit:

  • Φar – der Widerstandsbeiwert für Ankerstangen nach Abschnitt 13.1
  • An – die Zugspannungsfläche des Ankers
  • kd – der Durchmesserbeiwert der Ankerstange
  • Aar – die Querschnittsfläche einer Ankerstange auf Grundlage ihres Nenndurchmessers d
  • Fu ist die Zugfestigkeit des Ankerstahls

Druckwiderstand des Ankers – CSA S16:24 Abschnitt 13.3.1.1 (alle Gruppen)

Csar=ϕar As Fy (1+λ2n)−1/nC_{sar} =\phi_{ar}\,A_{s}\,F_{y}\,(1+\lambda^{2n})^{-1/n}Csar​=ϕar​As​Fy​(1+λ2n)−1/n

λ=(Fy/Fe)\lambda=\sqrt{(F_y/F_e)}λ=(Fy​/Fe​)​

Fe=π2 E /(K L/r)2F_{e}=\pi^{2}\,E\,/(K\,L/r)^{2}Fe​=π2E/(KL/r)2

mit:

  • As – die um das Gewinde reduzierte Fläche des Ankers, sofern ein Gewinde vorhanden ist
  • Fy – die Streckgrenze des Ankerstahls
  • Fe – die elastische Knickspannung nach Abschnitt 13.3.1.2
  • E – der Elastizitätsmodul des Ankerstahls
  • KL = 2 L – die Knicklänge. Es wird auf der sicheren Seite angenommen, dass der Anker im Beton eingespannt und an der Fußplatte frei drehbar ist
  • L – die seitlich unausgesteifte Länge des Bauteils, angesetzt als Summe aus der halben Fußplattendicke, dem Spalt und dem halben Ankerdurchmesser
  • r = √(Is/As) – der Trägheitsradius des Ankers und Is = π ds4 / 64 sein Flächenträgheitsmoment, wobei ds der um das Gewinde reduzierte Ankerdurchmesser ist, sofern ein Gewinde vorhanden ist
  • n – der Parameter für den Druckwiderstand nach Abschnitt 13.3.1.1

Biegewiderstand des Ankers – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.3 (Gruppe 3)

Für Anker als Kopfbolzen und für an die Fußplatte angeschweißte Bewehrung, d. h. wenn der maßgebende Querschnitt für Biegung nicht im Gewindebereich liegt:

Msar=ϕar 0.975 Zar FyM_{sar}=\phi_{ar}\, 0.975\, Z_{ar}\, F_yMsar​=ϕar​0.975Zar​Fy​

Für Anker aus Schraubenwerkstoff sowie für Kopfbolzen und Bewehrung mit geschnittenem Gewinde:

Msar=ϕar 0.65 kd1.5 Zar FyM_{sar}=\phi_{ar}\, 0.65\, k_d^{1.5}\, Z_{ar}\, F_yMsar​=ϕar​0.65kd1.5​Zar​Fy​

mit Zar = d3 / 6 als plastischem Widerstandsmoment des Ankers auf Grundlage seines Nenndurchmessers d.

Querkraftwiderstand des Ankers – CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.2 (Gruppe 3)

Für Anker als Kopfbolzen und für an die Fußplatte angeschweißte Bewehrung:

Vsar=ϕar 0.84 kn Av Fu/kdV_{sar}=\phi_{ar}\, 0.84\, k_n\, A_{v}\, F_u / k_dVsar​=ϕar​0.84kn​Av​Fu​/kd​

Für Anker aus Schraubenwerkstoff sowie für Kopfbolzen und Bewehrung mit geschnittenem Gewinde:

Vsar=ϕar 0.6 kn Av FuV_{sar}=\phi_{ar}\, 0.6\, k_n\, A_{v}\, F_uVsar​=ϕar​0.6kn​Av​Fu​

mit:

  • Av = 0.70 · kd · Aar ist die Schubspannungsfläche des Ankers
  • kn ist der Kalibrierungsbeiwert für die Schubspannung nach Abschnitt 25.4.3.2

Interaktion von Normalkraft und Biegung (Gruppe 3)

Für einen Anker unter Zug:

Nfa/Tsar+Mfa/Msar≤1.0N_{fa}/T_{sar}+M_{fa}/M_{sar} \le 1.0Nfa​/Tsar​+Mfa​/Msar​≤1.0

Für einen Anker unter Druck:

Nfa/Csar+Mfa/Msar≤1.0N_{fa}/C_{sar}+M_{fa}/M_{sar} \le 1.0Nfa​/Csar​+Mfa​/Msar​≤1.0

mit Mfa als Bemessungsbiegemoment infolge der am Hebelarm wirkenden Querkraft und Msar als Bemessungsbiegewiderstand des Ankers.

CSA S16:24 Abschnitt 25.4.3.4 und Abschnitt 25.4.3.5 geben eine Interaktion aus drei Termen für Querkraft, Normalkraft und Biegung an. Die Anwendung wertet den Querkraftwiderstand als separaten Nachweis aus und die Interaktion von Normalkraft und Biegung wie oben angegeben.

Betonquetschen an der Kontaktfläche zwischen Anker und Beton

Der Querkraftwiderstand des Ankers wird zudem im Hinblick auf das Betonquetschen an der Kontaktfläche zwischen Anker und Beton begrenzt. Die Grenzwerte und das Verfahren zu ihrer Bestimmung sind im Artikel - Querkrafttragverhalten von Ankern in Stahlbeton - ausführlich beschrieben. Sobald die Kontaktkraft diesen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung beendet, bevor der Widerstand überschritten wird.​ 

Auszugnachweis für Kopfanker (Unterlegplatten und Kopfbolzen)

Für Kopfanker ist ein zusätzliches Abbruchkriterium implementiert, das die Betonpressung (das Quetschen) über dem Ankerkopf – Auszug – nachweist. Während der Berechnung wird die über den Kontakt zwischen Kopf und Beton übertragene Druckkraft überwacht und mit dem Grenzwert nach CSA A23.3:24 Abschnitt D.6.3.4, Gleichung D.17, für den Auszugwiderstand eines einzelnen einbetonierten Kopfankers verglichen:

Npr= 8⋅Abrg⋅Φc⋅fc′⋅RNN_{pr} =  8 \cdot A_{brg} \cdot \Phi_{c} \cdot f'_c \cdot R_NNpr​= 8⋅Abrg​⋅Φc​⋅fc′​⋅RN​
​

mit:

  • Φc ist der Widerstandsbeiwert für Beton nach Abschnitt 8.4.2
  • RN ist der Widerstandsmodifikationsbeiwert für den auf Zug beanspruchten Anker nach Abschnitt D.5.3
  • Abrg ist die Auflagerfläche des Ankerkopfes, d. h. die Nettofläche ohne die Schaftfläche
  • Abschnitt D.6.3.3 erlaubt es, den Auszugwiderstand einzelner einbetonierter Kopfanker nach Abschnitt D.6.3.4 zu berechnen; für einzelne J-Schrauben oder L-Schrauben gilt stattdessen Abschnitt D.6.3.5
  • f'c ist die charakteristische Druckfestigkeit des Betons

Sobald die Kontaktkraft diesen normativen Grenzwert erreicht, wird das Abbruchkriterium ausgelöst und die Berechnung beendet, bevor der Auszugwiderstand überschritten wird.​ 

Verankerung -  Verbundspannung

Die Verbundschubspannung wird unabhängig als Verhältnis zwischen der durch die FE-Analyse berechneten Verbundspannung τb und der Bemessungsverbundfestigkeit fbu ausgewertet.

CSA A23.3:24 definiert eine Verbundfestigkeit nicht explizit. Sie ist jedoch die Größe, aus der die Regelungen zur Verankerungslänge in Abschnitt 12 abgeleitet sind, und kann daher aus ihnen zurückgewonnen werden. Die Herleitung erfolgt in wenigen Schritten.

Die Verankerungslänge ld ist per Definition die Einbindelänge, über die der Verbund allein die volle Fließkraft des Stabes in den Beton überträgt. Wenn ein Stab mit ld oder mehr eingebettet ist, führt das Herausziehen zum Fließen des Stabes und nicht zum Versagen des Verbundes. Gleichsetzen der Kraft, die durch eine gleichmäßige Verbundspannung fbu am Stabumfang übertragen wird, mit der Fließkraft des Stabquerschnitts ergibt:

π⋅db⋅ld⋅fbu=fyg⋅Ab\pi\cdot d_{b} \cdot l_{d} \cdot f_{bu}=f_{yg}\cdot A_{b}π⋅db​⋅ld​⋅fbu​=fyg​⋅Ab​

mit:

  • db ist der Nenndurchmesser des Stabes und π db ld die Verbundfläche;
  • Ab = π db2 / 4 ist die Querschnittsfläche des Stabes;
  • fyg ist die charakteristische Streckgrenze der Bewehrung.

Wir können schreiben:

fbu=fyg⋅Abπ⋅db⋅ld=fyg⋅π⋅db24π⋅db⋅ld=fyg⋅db4⋅ldf_{bu}=\frac{f_{yg} \cdot A_{b}}{\pi \cdot d_{b} \cdot l_{d}}=\frac{f_{yg} \cdot \frac{\pi \cdot d_{b}^{2}}{4}}{\pi \cdot d_{b} \cdot l_{d}}=\frac{f_{yg} \cdot d_{b}}{4 \cdot l_{d}}fbu​=π⋅db​⋅ld​fyg​⋅Ab​​=π⋅db​⋅ld​fyg​⋅4π⋅db2​​​=4⋅ld​fyg​⋅db​​

Die vereinfachten Gleichungen für die Zug-Verankerungslänge von Rippenstäben sind in CSA A23.3:24 Tabelle 12.1 (Abschnitt 12.2.3) angegeben. Die Anwendung verwendet den zweiten, konservativeren Fall mit der Bezeichnung Andere Fälle. 

In der Anwendung werden die Modifikationsfaktoren nach CSA A23.3:24 Tabelle 12.2 (Abschnitt 12.2.4) mit kc = 1,0 angesetzt, da nur unbeschichtete Bewehrung unterstützt wird, und mit ka = 1,0, da nur Normalbeton unterstützt wird. Der verwendete Ausdruck lautet daher

ld=0.6⋅k1kskg⋅fygfc′⋅dbl_{d}=0{.}6 \cdot k_{1} k_{s} k_{g} \cdot \frac{f_{yg}}{\sqrt{f'_{c}}} \cdot d_{b}ld​=0.6⋅k1​ks​kg​⋅fc′​​fyg​​⋅db​

Das Einsetzen dieses Ausdrucks in die Gleichgewichtsbedingung eliminiert die Verankerungslänge:

fbu=fyg⋅db4⋅0.6⋅k1kskg⋅fygfc′⋅dbf_{bu}=\frac{f_{yg} \cdot d_{b}}{4 \cdot 0{.}6 \cdot k_{1} k_{s} k_{g} \cdot \frac{f_{yg}}{\sqrt{f'_{c}}} \cdot d_{b}}fbu​=4⋅0.6⋅k1​ks​kg​⋅fc′​​fyg​​⋅db​fyg​⋅db​​

fyg und db stehen sowohl im Zähler als auch im Nenner und kürzen sich daher:

fbu=fc′4⋅0.6⋅k1kskg=12.4⋅fc′k1kskgf_{bu}=\frac{\sqrt{f'_{c}}}{4 \cdot 0{.}6 \cdot k_{1} k_{s} k_{g}}=\frac{1}{2{.}4} \cdot \frac{\sqrt{f'_{c}}}{k_{1} k_{s} k_{g}}fbu​=4⋅0.6⋅k1​ks​kg​fc′​​​=2.41​⋅k1​ks​kg​fc′​​​

Die Auswertung der Konstante, 1 / 2,4 = 0,4167, gerundet auf 0,42, ergibt die in der Anwendung implementierte Bemessungsverbundfestigkeit:

fbu=0.42⋅fc′k1⋅ks⋅kgf_{bu}=0{.}42 \cdot \frac{\sqrt{f'_{c}}}{k_{1} \cdot k_{s} \cdot k_{g}}fbu​=0.42⋅k1​⋅ks​⋅kg​fc′​​​

Die Modifikationsfaktoren werden nach CSA A23.3:24 Tabelle 12.2 (Abschnitt 12.2.4) bestimmt:

Fig. 8.3.1Modification factors\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.3.1\qquad Modification factors}}}Fig. 8.3.1Modification factors

Gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 12.1.2 beträgt der maximal zulässige Wert von √f'c bei der Berechnung von Verankerungslängen 8 MPa.

Der Faktor k1 wird automatisch aus der Lage der Bewehrung imModell gemäß der folgenden Abbildung abgeleitet: 

Fig. 8.3.2Description of bond conditions; a)  b) ‘good’ bond conditions for all bars;  c)  d) unhatched zone – ‘good’ bond conditions, hatched zone – ‘poor’ bond conditions\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.3.2\qquad Description of bond conditions; a)  b) ‘good’ bond conditions for all bars;  c)  d) unhatched zone – ‘good’ bond conditions, hatched zone – ‘poor’ bond conditions}}}Fig. 8.3.2Description of bond conditions; a)  b) ‘good’ bond conditions for all bars;  c)  d) unhatched zone – ‘good’ bond conditions, hatched zone – ‘poor’ bond conditions

Für schlechte Verbundbedingungen gilt k1=1,3

Die Betonierrichtung kann in der Anwendung eingestellt werden.

Fig. 8.3.3Direction of concreting\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.3.3\qquad Direction of concreting}}}Fig. 8.3.3Direction of concreting

Die Verbundschubspannung und die Verbundfestigkeit von Stäben unter Druck werden analog zu Stäben unter Zug berechnet, jedoch werden die Gleichungen für die Druck-Verankerungslänge aus CSA A23.3:24 Abschnitt 12.3.2 verwendet.

Es besteht außerdem die Möglichkeit, glatte Bewehrungsstäbe zu modellieren. Weitere Informationen finden Sie hier: Glatte Bewehrungsstäbe in Detail

Gesamtkraft Ftot und Grenzkraft Flim

Die Gesamtkraft Ftot ist ein Ergebnis der Finite-Elemente-Berechnung und kann auf zwei Arten definiert werden.

Ftot=As⋅fsF_{tot}=A_{s} \cdot f_{s}Ftot​=As​⋅fs​

mit As als Fläche des Bewehrungsstabes und fs als Spannung im Stab.

Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.

Ftot=Fa+FbondF_{tot}=F_{a}+F_{bond}Ftot​=Fa​+Fbond​

mit Fa als tatsächlicher Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond als Verbundkraft, die durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge des Bewehrungsstabes l erhalten werden kann.

Fbond=Cs⋅∫0lτb(x)dxF_{bond}=C_{s} \cdot \int_{0}^{l}\tau_{b}\left( x \right)dxFbond​=Cs​⋅∫0l​τb​(x)dx

Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabes.

Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabes unter Berücksichtigung der Festigkeit des Bewehrungsstabes sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Verankerungshaken, Schlaufen usw.).

Flim=min(Flim,bond+Fau,Fu)F_{lim}=min\left( F_{lim,bond}+F_{au},F_{u} \right)Flim​=min(Flim,bond​+Fau​,Fu​)

Fu=fsy,lim⋅AsF_{u}=f_{sy,lim}\cdot A_{s}Fu​=fsy,lim​⋅As​

Fau=β⋅fsy,lim⋅AsF_{au}=\beta\cdot f_{sy,lim}\cdot A_{s}Fau​=β⋅fsy,lim​⋅As​

Flim,bond=Cs⋅l⋅fbuF_{lim,bond}=C_{s}\cdot l \cdot f_{bu}Flim,bond​=Cs​⋅l⋅fbu​

mit Cs als Umfang des Bewehrungsstabes und l als Länge vom Beginn des Bewehrungsstabes bis zum betrachteten Punkt.

Fig. 8.3.4Definition of the limit force Flim\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.3.4\qquad Definition of the limit force Flim}}}Fig. 8.3.4Definition of the limit force Flim

Flim,2=Flim,1+Flim,addF_{lim,2}=F_{lim,1}+F_{lim,add}Flim,2​=Flim,1​+Flim,add​

mit Flim,add als zusätzlicher Kraft, die aus der Größe des Winkels zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.

Die verfügbaren Verankerungstypen für Längs- und Querbewehrung folgen den in CSA A23.1:19 Abschnitt 6.6.2 definierten Haken und Biegungen. Ein Standardhaken ist in Abschnitt 6.6.2.2 entweder als halbkreisförmige (180-Grad-)Biegung oder als 90-Grad-Biegung mit der vorgeschriebenen Verlängerung am freien Stabende definiert; für die Verankerung von Bügeln und Zugbändern ist entweder eine 90-Grad- oder eine 135-Grad-Biegung definiert. Die in CSFM verfügbaren Verankerungstypen für Längsbewehrung umfassen einen geraden Stab (d. h. ohne Reduzierung am Verankerungsende), eine 90-Grad-Biegung, eine 180-Grad-Biegung, vollkommenen Verbund und einen durchlaufenden Stab. Alle diese Typen sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Fig. 8.3.5 dargestellt.

Fig. 8.3.5 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 8.3.5\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:}}}Fig. 8.3.5 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in CSFM:

(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar\textsf{\textit{\footnotesize{(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar}}}(a) straight bar; (b) 90-degree hook; (c) 180-degree hook; (d) perfect bond; (e) continuous bar

Es ist zu beachten, dass CSFM trotz der verschiedenen verfügbaren Optionen drei Arten von Verankerungsenden unterscheidet: (i) keine Reduzierung der Verankerungslänge, (ii) eine Reduzierung der Verankerungslänge um 30 % bei einer normierten Verankerung und (iii) vollkommener Verbund. Die angesetzten Verankerungsbeiwerte lauten wie folgt:

Der Verankerungsbeiwert für Bügel (verfügbar für das Trägerelement) beträgt stets β = 1,0.

Um CSA A23.3 einzuhalten, sollte in der Berechnung die Verankerungsfeder verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, sodass der Benutzer bei der Definition der Anfangs- und Endbedingungen der Bewehrung einen der verfügbaren Verankerungstypen verwenden muss. 

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Verifizierungen und Validierungen

  • Verifizierungen: Detail 3D

Literatur

  1. Wu, D.; Wang, Y.; Qiu, Y.; Zhang, J.; Wan, Y.-K. Determination of Mohr–Coulomb Parameters from Nonlinear Strength Criteria for 3D Slopes. Math. Probl. Eng. 2019, 6927654.
  2. Lelovic, S.; Vasovic, D.; Stojic, D. Determination of the Mohr-Coulomb Material Parameters for Concrete under Indirect Tensile Test. Tech. Gaz. 2019, 26, 412–419.
  3. Galic, M.; Marovic, P.; Nikolic, Ž. Modified Mohr-Coulomb—Rankine material model for concrete. Eng. Comput. 2011, 28, 853–887.
  4. Fan, Q.; Gu, S.C.; Wang, B.N.; Huang, R.B. Two Parameter Parabolic Mohr Strength Criterion Applied to Analyze The Results of the Brazilian Test. Appl. Mech. Mater. 2014, 624, 630–634.
  5. Janković, N., Ljubinković, F., Conde, J., Costa, J., Simões da Silva, L. (2025). Behaviour and design resistance of long bolts in tension. Journal of Constructional Steel Research, 229, 109492. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2025.109492 (open access, CC BY 4.0)

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