Der theoretische Hintergrund basiert auf COMPATIBLE STRESS FIELD DESIGN OF STRUCTURAL CONCRETE
(Kaufmann et al., 2020)
Tragwerksbezogene Bemessung von Betondiskontinuitäten in IDEA StatiCa Detail
1 Einführung in das CSFM-Verfahren
1.1 Allgemeine Einführung in die tragwerksbezogene Bemessung von Betondetails
1.2 Wichtigste Annahmen und Einschränkungen
1.3 Bemessungswerkzeuge für die Bewehrung
2 Berechnungsmodell von IDEA StatiCa Detail
2.1 Einführung in die Umsetzung der Methode der finiten Elemente
2.2 Lager und lastübertragende Komponenten
2.3 Lastübertragung an gekürzten Trägerenden
2.4 Geometrische Modifikation von Querschnitten
2.5 Typen finiter Elemente
2.6 Vernetzung
2.7 Lösungsverfahren und Laststeuerungsalgorithmus
2.8 Darstellung der Ergebnisse
3 Modellverifizierung
3.1 Grenzzustände, Rissbreitenberechnung und Zugverfestigung
4 Tragwerksbezogene Nachweise nach EUROCODE
4.1 Materialmodelle (EN)
4.2 Sicherheitsbeiwerte
4.3 Analyse im Grenzzustand der Tragfähigkeit
4.4 Teilbelastete Flächen (PLA)
4.5 Analyse im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
5 Tragwerksbezogene Nachweise nach ACI 318-19
5.1 Materialmodelle (ACI)
5.2 Festigkeitsabminderungs- und Lastbeiwerte
5.3 Festigkeitsnachweise
5.4 Lager- und Verankerungsbereiche – Teilbelastete Flächen
5.5 Nachweise der Gebrauchstauglichkeit
6 Tragwerksbezogene Nachweise nach AASHTO
6.1 Materialmodelle (AASHTO)
6.2 Widerstands- und Lastbeiwerte
6.3 Grenzzustand der Festigkeit
6.4 Widerstand der Lager- und Verankerungsbereiche – Teilbelastete Flächen
6.5 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
7 Tragwerksbezogene Nachweise nach AS 3600
7.1 Materialmodelle (AUS)
7.2 Spannungsabminderungs- und Lastbeiwerte
7.3 Festigkeits- und Verankerungsnachweise
7.4 Nachweise der Gebrauchstauglichkeit
8 Tragwerksbezogene Nachweise nach CSA A23.3:24
8.1 Materialmodelle (CSA)
8.2 Widerstands- und Lastbeiwerte
8.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit
8.4 Widerstand der Lager- und Verankerungsbereiche – Teilbelastete Flächen
8.5 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
9 Vorspannung in Detail - Modellbeschreibung
1 Einführung in das CSFM-Verfahren
1.1 Allgemeine Einführung in die tragwerksbezogene Bemessung von Betondetails
Die Bemessung und Bewertung von Betonbauteilen erfolgt üblicherweise auf Querschnittsebene (1D-Elemente) oder auf Punktebene (2D-Elemente). Dieses Verfahren ist in allen Normen für die tragwerksbezogene Bemessung beschrieben, z. B. in (EN 1992-1-1 oder ACI 318-19), und wird in der täglichen Ingenieurpraxis angewendet. Es ist jedoch nicht immer bekannt oder wird nicht immer beachtet, dass das Verfahren nur in Bereichen zulässig ist, in denen die Bernoulli-Navier-Hypothese der ebenen Dehnungsverteilung gilt (sogenannte B-Bereiche). Die Stellen, an denen diese Hypothese nicht gilt, werden als Diskontinuitätsbereiche oder gestörte Bereiche (D-Bereiche) bezeichnet. Beispiele für B- und D-Bereiche von 1D-Elementen zeigt (Abb. 1). Dazu gehören z. B. Auflagerbereiche, Bereiche mit Einleitung von Einzellasten, Stellen mit abrupter Querschnittsänderung, Öffnungen usw. Bei der Bemessung von Betonstrukturen treffen wir auf viele weitere D-Bereiche, wie Wände, Brückenquerträger, Konsolen usw.

In der Vergangenheit wurden für die Dimensionierung von Diskontinuitätsbereichen semiempirische Bemessungsregeln verwendet. Glücklicherweise wurden diese Regeln in den letzten Jahrzehnten weitgehend durch Strebe-und-Zugband-Modelle (Schlaich et al., 1987) und Spannungsfelder (Marti 1985) abgelöst, die in den aktuellen Bemessungsnormen enthalten sind und heute häufig von Planern verwendet werden. Diese Modelle sind mechanisch konsistente und leistungsfähige Werkzeuge. Zu beachten ist, dass Spannungsfelder grundsätzlich kontinuierlich oder diskontinuierlich sein können und dass Strebe-und-Zugband-Modelle einen Sonderfall diskontinuierlicher Spannungsfelder darstellen.
Trotz der Weiterentwicklung der Berechnungswerkzeuge in den letzten Jahrzehnten werden Strebe-und-Zugband-Modelle im Wesentlichen nach wie vor als Handrechnungen angewendet. Ihre Anwendung auf reale Strukturen ist mühsam und zeitaufwendig, da Iterationen erforderlich sind und mehrere Lastfälle berücksichtigt werden müssen. Außerdem ist diese Methode nicht geeignet, um Kriterien der Gebrauchstauglichkeit (Verformungen, Rissbreiten usw.) nachzuweisen.
Das Interesse von Tragwerksplanern an einem zuverlässigen und schnellen Werkzeug für die Bemessung von D-Bereichen führte zu der Entscheidung, das neue Kompatible Spannungsfeldverfahren zu entwickeln. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur computergestützten Bemessung mit Spannungsfeldern, das die automatische Bemessung und Bewertung von Betonbauteilen unter Scheibenbeanspruchung ermöglicht.
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren (CSFM) ist ein kontinuierliches, FE-basiertes Verfahren zur Spannungsfeldanalyse, bei dem klassische Spannungsfeldlösungen durch kinematische Betrachtungen ergänzt werden, d. h., der Dehnungszustand wird in der gesamten Struktur ermittelt. Dadurch kann die wirksame Druckfestigkeit des Betons automatisch auf Grundlage des Querdehnungszustands berechnet werden, ähnlich wie bei Druckfeldanalysen, die die Druckerweichung berücksichtigen (Vecchio und Collins 1986; Kaufmann und Marti 1998), sowie beim EPSF-Verfahren (Fernández Ruiz und Muttoni 2007). Darüber hinaus berücksichtigt das CSFM die Zugverfestigung, wodurch den Elementen realistische Steifigkeiten zugewiesen werden, und deckt alle Normvorgaben ab (einschließlich der Aspekte der Gebrauchstauglichkeit und der Verformungsfähigkeit), die in früheren Ansätzen nicht konsistent behandelt wurden. Das CSFM verwendet die üblichen einachsigen Werkstoffgesetze, die in den Bemessungsnormen für Beton und Bewehrung angegeben sind. Diese sind in der Bemessungsphase bekannt, sodass das Teilsicherheitsbeiwertverfahren angewendet werden kann. Somit müssen Planer keine zusätzlichen, oft willkürlichen Materialeigenschaften angeben, wie sie typischerweise für nichtlineare FE-Analysen erforderlich sind. Dadurch eignet sich das Verfahren hervorragend für die Ingenieurpraxis.
Um die Anwendung computergestützter Spannungsfelder durch Tragwerksplaner zu fördern, sollten diese Verfahren in benutzerfreundlichen Softwareumgebungen umgesetzt werden. Zu diesem Zweck wurde das CSFM in IDEA StatiCa Detail implementiert; einer neuen, benutzerfreundlichen kommerziellen Software, die gemeinsam von der ETH Zürich und dem Softwareunternehmen IDEA StatiCa im Rahmen des Projekts DR-Design Eurostars-10571 entwickelt wurde.
1.2 Wichtigste Annahmen und Einschränkungen für CSFM in 2D
CSFM berücksichtigt die maximale Hauptdruckspannung im Beton (σc2r) und die Bewehrungsspannungen (σsr) an den Rissen und vernachlässigt dabei die Betonzugfestigkeit (σc1r = 0), mit Ausnahme ihres Versteifungseffekts auf die Bewehrung. Durch die Berücksichtigung der Zugverfestigung können die mittleren Bewehrungsdehnungen (εm) simuliert werden. Es werden fiktive, rotierende, spannungsfreie Risse angenommen, die sich ohne Schlupf öffnen (Abb. 2a). Das Gleichgewicht an den Rissen wird zusammen mit den mittleren Dehnungen der Bewehrung berücksichtigt.

Trotz ihrer Einfachheit liefern ähnliche Annahmen nachweislich genaue Vorhersagen für bewehrte Bauteile unter Scheibenbeanspruchung (Kaufmann 1998; Kaufmann und Marti 1998), sofern die vorhandene Bewehrung sprödes Versagen bei Rissbildung vermeidet. Außerdem steht die Nichtberücksichtigung jeglichen Beitrags der Betonzugfestigkeit zur Traglast im Einklang mit den Prinzipien moderner Bemessungsnormen, die überwiegend auf der Plastizitätstheorie beruhen.
Allerdings ist die CSFM für schlanke Bauteile ohne Querbewehrung nicht geeignet. Maßgebende Mechanismen für solche Bauteile werden vernachlässigt, nämlich Rissverzahnung, Restzugspannungen an der Rissspitze und Dübelwirkung. Sie alle beruhen direkt oder indirekt auf der Zugfestigkeit des Betons. Einige Normen erlauben die Bemessung solcher Bauteile auf Grundlage halbempirischer Regeln. Die CSFM ist jedoch nicht für diese Art potenziell spröder Struktur vorgesehen.
Beton
Das in der CSFM implementierte Betonmodell basiert auf den einachsigen Spannung-Dehnung-Beziehungen für Druck, die in den Bemessungsnormen für die Bemessung von Querschnitten vorgeschrieben sind und nur von der Druckfestigkeit abhängen. In der CSFM wird standardmäßig das Parabel-Rechteck-Diagramm (Abb. 2c) verwendet. Der Anwender kann jedoch auch eine vereinfachte ideal elastisch-plastische Beziehung wählen. Bei der Bewertung nach der ACI-Norm kann ausschließlich das Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramm verwendet werden. Wie bereits erwähnt, wird die Zugfestigkeit vernachlässigt, wie auch in der klassischen Stahlbetonbemessung.
Die wirksame Druckfestigkeit wird für gerissenen Beton automatisch auf Grundlage der Hauptzugdehnung (ε1) mithilfe des Abminderungsbeiwerts kc2 ermittelt, wie in Abb. 2c und e dargestellt. Die implementierte Abminderungsbeziehung (Abb. 2e) ist eine Verallgemeinerung des Vorschlags des fib Model Code 2010 für Querkraftnachweise. Dieser enthält einen Grenzwert von 0,65 für das maximale Verhältnis von wirksamer Betonfestigkeit zu Betondruckfestigkeit, der auf andere Belastungsfälle nicht anwendbar ist.
Die CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druck (d. h. es wird ein unendlich langer plastischer Ast nach Erreichen der Höchstspannung angesetzt). Aufgrund dieser Vereinfachung kann die Verformungsfähigkeit von Strukturen, die auf Druck versagen, nicht nachgewiesen werden. Ihre Traglast wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn zusätzlich zum Faktor für gerissenen Beton (kc2) gemäß (Abb. 2e) die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des Betons über den Abminderungsbeiwert berücksichtigt wird, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:
Dabei ist:
kc der globale Abminderungsbeiwert der Druckfestigkeit
kc2 der Abminderungsbeiwert infolge Querrissbildung
fc die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ).
Der Faktor kc2 wird außerdem aus Gründen der Berechnungsstabilität abgemindert. Diese Abminderung beeinflusst nicht die Gesamttragfähigkeit der Bauteile. Wird für fcd der Bemessungswert der Betonfestigkeit angesetzt, wird der Wert kc2 nach den folgenden Regeln abgemindert.
σc2r < 0,11fcd kc2=1,0
0,11fcd < σc2r < 0,37fcd kc2 ist eine lineare Interpolation zwischen 1,0 und dem Wert aus dem
Diagramm in Abb. 2f
σc2r > 0,37fcd kc2 wird direkt aus dem Diagramm in Abb. 2f entnommen
Bewehrung
Es wird das idealisierte bilineare Spannung-Dehnung-Diagramm für den unverbundenen Bewehrungsstahl angesetzt, das üblicherweise in den Bemessungsnormen definiert ist (Abb. 2d). Für die Definition dieses Diagramms müssen in der Bemessungsphase nur die grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung bekannt sein (Festigkeits- und Duktilitätsklasse). Es kann auch eine benutzerdefinierte Spannung-Dehnung-Beziehung festgelegt werden.
Die Zugverfestigung wird berücksichtigt, indem die eingegebene Spannung-Dehnung-Beziehung des unverbundenen Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) erfasst wird.
Verbundmodell
Der Verbundschlupf zwischen Bewehrung und Beton wird im Finite-Elemente-Modell über die in Abb. 2f dargestellte vereinfachte starr-ideal plastische Materialbeziehung berücksichtigt. Dabei ist fbd der Bemessungswert der Verbundspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit, der in der Bemessungsnorm für die jeweiligen Verbundbedingungen angegeben ist.
Dies ist ein vereinfachtes Modell, das ausschließlich dem Nachweis der Verbundvorgaben nach den Bemessungsnormen dient (d. h. der Verankerung der Bewehrung). Die Verringerung der Verankerungslänge bei Haken, Schlaufen und ähnlichen Stabformen kann berücksichtigt werden, indem am Ende der Bewehrung eine bestimmte Tragfähigkeit definiert wird, wie später beschrieben wird.
1.3 Werkzeuge zur Bemessung der Bewehrung
Arbeitsablauf und Ziele
Die Werkzeuge zur Bemessung der Bewehrung im CSFM sollen Planer dabei unterstützen, die Lage und die erforderliche Menge der Bewehrungsstäbe effizient zu bestimmen. Dafür stehen folgende Werkzeuge zur Verfügung: die lineare Berechnung und die Topologieoptimierung.
Die Werkzeuge zur Bemessung der Bewehrung verwenden vereinfachtere Stoffmodelle als jene, die für den abschließenden Nachweis der Struktur eingesetzt werden. Die in diesem Schritt definierte Bewehrung ist daher als Vorbemessung zu betrachten, die im abschließenden Nachweis bestätigt bzw. verfeinert wird. Der Einsatz der verschiedenen Werkzeuge zur Bemessung der Bewehrung wird am Modell in Abb. 3 gezeigt. Es besteht aus einem Ende eines Einfeldträgers mit veränderlicher Höhe unter einer Gleichstreckenlast.

Lineare Berechnung
Die lineare Berechnung berücksichtigt linear-elastische Materialeigenschaften und vernachlässigt die Bewehrung im Betonbereich. Sie ist daher eine sehr schnelle Berechnung, die einen ersten Einblick in die Lage der Zug- und Druckbereiche liefert. Ein Beispiel für eine solche Berechnung zeigt Abb. 4.

Topologieoptimierung
Die Topologieoptimierung ist ein Verfahren, das die optimale Materialverteilung in einem vorgegebenen Volumen für eine bestimmte Lastkonfiguration ermittelt. Die in Idea StatiCa Detail implementierte Topologieoptimierung verwendet ein lineares Finite-Elemente-Modell. Jedes finite Element kann eine relative Dichte von 0 bis 100 % aufweisen, welche den relativen Anteil des verwendeten Materials darstellt. Diese Elementdichten sind die Optimierungsparameter des Optimierungsproblems. Die resultierende Materialverteilung gilt für die gegebenen Lasten als optimal, wenn sie die gesamte Formänderungsenergie des Systems minimiert. Per Definition ist die optimale Verteilung zugleich die Geometrie mit der größtmöglichen Steifigkeit für die gegebenen Lasten.
Der iterative Optimierungsprozess beginnt mit einer homogenen Dichteverteilung. Die Berechnung wird für mehrere Gesamtvolumenanteile (20 %, 40 %, 60 % und 80 %) durchgeführt. So kann der Anwender das praktikabelste Ergebnis auswählen. Die resultierende Form besteht aus Fachwerken mit Streben und Zugbändern und stellt die optimale Form für die gegebenen Lastfälle dar (Abb. 5).


2 Berechnungsmodell von IDEA StatiCa Detail
2.1 Einführung in die Finite-Elemente-Implementierung
Das CSFM berücksichtigt kontinuierliche Spannungsfelder im Beton (2D-Finite-Elemente), ergänzt durch diskrete „Stab“-Elemente, die die Bewehrung abbilden (1D-Finite-Elemente). Daher ist die Bewehrung nicht verschmiert in die 2D-Finite-Elemente des Betons eingebettet, sondern explizit modelliert und mit diesen verbunden. Im Berechnungsmodell wird ein ebener Spannungszustand angenommen.

Es können sowohl ganze Wände und Träger als auch Details (Teile) von Trägern (isolierter Diskontinuitätsbereich, auch als beschnittenes Ende bezeichnet) modelliert werden. Bei Wänden und ganzen Trägern müssen die Lager so definiert werden, dass sich eine (äußerlich) statisch bestimmte oder statisch unbestimmte Struktur ergibt. Die Lastübertragung an den beschnittenen Enden von Trägern erfolgt über eine spezielle Saint-Venant-Übertragungszone, die eine realistische Spannungsverteilung im untersuchten Detailbereich gewährleistet.
2.2 Lager und lastübertragende Komponenten
Um die meisten Situationen während des Konstruktionsprozesses abzubilden, stehen in der CSFM viele Lagerarten (Abb. 7) und Komponenten zur Lastübertragung (Abb. 8) zur Verfügung.
Lager
Ein Punktlager kann auf verschiedene Arten modelliert werden, damit die Spannungen nicht in einem Punkt konzentriert sind, sondern auf eine größere Fläche verteilt werden. Die erste Möglichkeit ist ein verteiltes Punktlager (Abb. 7a), das die Last am Rand des Bauteils gleichmäßig über die festgelegte Breite verteilt.

Ein Patch-Lager (Abb. 7d) kann dagegen nur innerhalb eines Betonvolumens mit einem definierten Wirkradius angeordnet werden. Es wird dann durch starre Elemente mit den Knoten des Bewehrungsnetzes innerhalb dieses Radius verbunden. Daher muss um das Patch-Lager ein Bewehrungskorb definiert werden.
Für die genauere Modellierung einiger realer Situationen gibt es zwei weitere Optionen für Punktlager. Erstens gibt es ein Punktlager mit einer Auflagerplatte definierter Breite und Dicke (Abb. 7b). Das Material der Auflagerplatte kann festgelegt werden, und die gesamte Auflagerplatte wird separat vernetzt. Zweitens steht ein Hängelager zur Verfügung (Abb. 7e), mit dem Transportanker oder Hebebolzen modelliert werden können.
Ein Linienlager (Abb. 7c) kann an einem Rand (durch Angabe seiner Länge) oder innerhalb eines Elements (durch einen Polygonzug) definiert werden. Es ist außerdem möglich, seine Steifigkeit und/oder sein nichtlineares Verhalten festzulegen (Lager auf Druck/Zug oder nur auf Druck).
- Ausführliche Beschreibungen finden Sie unter Lagerarten in IDEA StatiCa Detail
Lastübertragende Komponenten
Auch die Einleitung von Lasten in die Struktur kann auf verschiedene Arten modelliert werden. Für Punktlasten kann eine Auflagerplatte (Abb. 8a) ähnlich wie bei einem Punktlager verwendet werden. Sie verteilt die konzentrierte Last dank einer Stahlplatte mit definierter Breite und Dicke auf eine größere Fläche.

Die Punktlast kann entweder direkt auf die Oberfläche der Struktur mit einem definierten Wirkradius aufgebracht werden (die Last wird auf die Betonelemente aufgebracht) oder über ein spezielles Übertragungselement, die sogenannte Patch-Last (Abb. 8b und Abb. 9). Die Patch-Last ermöglicht es, die Last direkt in die definierte Bewehrung innerhalb des Wirkradius zu übertragen. Damit die Patch-Last korrekt funktioniert, muss (in den Bewehrungseigenschaften) eine Gruppe von Bewehrungsstäben definiert werden, die mit der Last verbunden werden. Ist keine verbundene Bewehrung definiert, entspricht der Lastübertragungsmechanismus dem einer Punktlast auf der Bauteiloberfläche. Die Last wird dann über die Randbedingungen auf die Betonelemente übertragen und nicht direkt auf die Bewehrung.

Transportanker oder Hebebolzen können durch eine Hängelast modelliert werden (Abb. 8c). Der Anwender kann eine teilweise belastete Fläche verwenden (Abb. 8d). Diese ermöglicht eine Erhöhung der Tragfähigkeit des Betons unter Druck gemäß Eurocode (diese Art der lastübertragenden Komponente kann nicht verwendet werden, wenn ACI eingestellt ist). Die Struktur kann außerdem mit Linienlasten an den Rändern, mit allgemeinen Polygonzügen oder mit Flächenlasten belastet werden. Die Detail-Anwendung kann das Eigengewicht in der Berechnung automatisch berücksichtigen.
2.3 Lastübertragung an gekürzten Trägerenden
In vielen Fällen muss nur ein Detail (Teilbereich) eines Bauteils modelliert werden, z. B. ein Trägerauflager oder eine Öffnung in Trägermitte. Dieser Ansatz kann zu Lagerungskonfigurationen führen, die instabil, in IDEA StatiCa Detail aber zulässig sind (einschließlich des Falls ohne Lager). In solchen Fällen muss jedoch auch der Querschnitt modelliert werden, der die Verbindung zum angrenzenden B-Bereich darstellt. Dazu gehören die Schnittgrößen in diesem Querschnitt, die das Gleichgewicht erfüllen. In bestimmten Fällen (z. B. bei der Modellierung eines Trägerauflagers) kann das Programm diese Schnittgrößen automatisch bestimmen.
Zwischen dem B-Bereich und dem untersuchten Diskontinuitätsbereich wird automatisch eine Saint-Venant-Übergangszone erzeugt. Sie stellt eine realistische Spannungsverteilung im untersuchten Bereich sicher. Die Breite der Übergangszone entspricht der halben Querschnittshöhe. Die Saint-Venant-Zone dient nur dazu, im restlichen Modell eine korrekte Spannungsverteilung zu erreichen. Daher werden für diesen Bereich im Nachweis keine Ergebnisse angezeigt, und es werden hier keine Abbruchkriterien berücksichtigt.
Der Rand der Saint-Venant-Zone, der das gekürzte Trägerende darstellt, wird als starr modelliert. Er darf sich also verdrehen, muss aber eben bleiben. Dazu werden alle FEM-Knoten des Rands mit einem separaten Knoten im Querschnittsschwerpunkt verbunden, und zwar über ein Starrkörperelement (RBE2). Die Schnittgrößen des Elements können dann an diesem Knoten angesetzt werden, wie in Abb. 10 dargestellt.
2.4 Geometrische Modifikation von Querschnitten
Die Reduzierung des Querschnitts erfolgt automatisch für Strukturen, die als Träger- oder Tragwerksverbindung definiert sind (festgelegt durch die x-Achse und einen Querschnitt). Diese Modifikation wird automatisch auf Querschnitte mit sehr breiten Gurten angewendet (Abb. 11). Sie beruht auf der Annahme, dass sich ein Druckspannungsfeld von der Wand aus unter einem Winkel von 45° ausbreitet. Die genannte reduzierte Breite ist somit die maximale Breite, über die Lasten übertragen werden können
Beachten Sie, dass die in CSFM implementierte Methode zur Bestimmung der mitwirkenden Gurtbreite von der Methode in 5.3.2.1 EN 1992-1-1 (2015) oder in 9.2.4.4 ACI 318-19 abweicht. Neben der Geometrie wird die mitwirkende Gurtbreite nach Eurocode ausdrücklich von den Stützweiten und den Randbedingungen einer Struktur beeinflusst.

Bei Vouten, die in der horizontalen Ebene liegen (Abb. 12), wird jede Voute entlang ihrer Länge in fünf Abschnitte unterteilt. Jeder dieser Abschnitte wird anschließend als Wand mit konstanter Dicke modelliert, die der tatsächlichen Dicke in der Mitte des jeweiligen Abschnitts entspricht.

2.5 Finite-Elemente-Typen
Das nichtlineare (inelastische) Finite-Elemente-Berechnungsmodell wird aus mehreren Typen finiter Elemente aufgebaut, mit denen Beton, Bewehrung und der Verbund zwischen beiden abgebildet werden. Beton- und Bewehrungselemente werden zunächst unabhängig voneinander vernetzt und anschließend über Mehrpunkt-Randbedingungen (MPC-Elemente) miteinander verbunden. Dadurch kann die Bewehrung eine beliebige Lage relativ zum Beton einnehmen. Soll der Nachweis der Verankerungslänge berechnet werden, werden zwischen der Bewehrung und den MPC-Elementen Verbund- und Verankerungsendfederelemente eingefügt.

Beton
Beton wird mit viereckigen und dreieckigen Schalenelementen, CQUAD4 und CTRIA3, modelliert. Diese werden durch vier bzw. drei Knoten definiert. In diesen Elementen wird ausschließlich ein ebener Spannungszustand angenommen, d. h. Spannungen oder Dehnungen in z-Richtung werden nicht berücksichtigt.
Jedes Element hat vier bzw. drei Integrationspunkte, die ungefähr bei 1/4 seiner Größe liegen. An jedem Integrationspunkt jedes Elements werden die Richtungen der Hauptdehnungen α1, α2 berechnet. In beiden Richtungen werden die Hauptspannungen σc1, σc2 und die Steifigkeiten E1, E2 gemäß dem festgelegten Spannung-Dehnung-Diagramm des Betons ausgewertet, siehe Fig. 2. Dabei ist zu beachten, dass der Einfluss der Druckerweichung das Verhalten in der Hauptdruckrichtung an den tatsächlichen Zustand in der anderen Hauptrichtung koppelt.
Bewehrung
Bewehrungsstäbe werden durch eindimensionale „Stab“-Elemente (CROD) mit zwei Knoten modelliert, die nur eine axiale Steifigkeit besitzen. Diese Elemente sind mit speziellen „Verbund“-Elementen verbunden, die entwickelt wurden, um das Schlupfverhalten zwischen einem Bewehrungsstab und dem umgebenden Beton abzubilden. Diese Verbundelemente werden anschließend über MPC-Elemente (Mehrpunkt-Randbedingungen) mit dem Netz verbunden, das den Beton darstellt. Dieser Ansatz ermöglicht die unabhängige Vernetzung von Bewehrung und Beton, während ihre Verknüpfung nachträglich sichergestellt wird.
Verbundelemente
Die Verankerungslänge wird nachgewiesen, indem die Verbundschubspannungen zwischen den Betonelementen (2D) und den Bewehrungsstabelementen (1D) im Finite-Elemente-Modell berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck wurde ein finiter Elementtyp „Verbund“ entwickelt.
Die Definition des Verbundelements ähnelt der eines Schalenelements (CQUAD4). Es wird ebenfalls durch vier Knoten definiert, besitzt jedoch im Gegensatz zu einer Schale nur eine von null verschiedene Schubsteifigkeit zwischen den zwei oberen und den zwei unteren Knoten. Im Modell sind die oberen Knoten mit den Elementen verbunden, welche die Bewehrung darstellen, und die unteren Knoten mit denen, welche den Beton darstellen. Das Verhalten dieses Elements wird durch die Verbundspannung τb als bilineare Funktion des Schlupfs zwischen den oberen und unteren Knoten, δu, beschrieben, siehe Fig. 14.
Der elastische Steifigkeitsmodul der Verbund-Schlupf-Beziehung, Gb, ist wie folgt definiert:
Dabei ist:
kg Beiwert in Abhängigkeit von der Oberfläche des Bewehrungsstabs (standardmäßig kg = 0,2)
Ec Elastizitätsmodul des Betons (bei EN als Ecm angesetzt)
Ø der Durchmesser des Bewehrungsstabs
Zum Nachweis der Verankerungslänge werden die Bemessungswerte (mit Teilsicherheitsbeiwerten beaufschlagte Werte) der Verbundbruchspannung, fbd, verwendet, die in den jeweils gewählten Bemessungsnormen EN 1992-1-1 oder ACI 318-19 angegeben sind. Die Verfestigung des plastischen Astes wird standardmäßig als Gb/105 berechnet.
Verankerungsfeder
Die Ausbildung von Verankerungsenden an den Bewehrungsstäben (d. h. Biegungen, Haken, Schlaufen usw.), welche die Vorgaben der Bemessungsnormen erfüllt, erlaubt es, die Grundverankerungslänge der Stäbe (lb,net) um einen bestimmten Faktor β zu verringern (im Folgenden als „Verankerungsbeiwert“ bezeichnet). Der Bemessungswert der Verankerungslänge (lb) wird dann wie folgt berechnet:
Die beabsichtigte Verringerung von lb,net entspricht der Aktivierung des Bewehrungsstabs an seinem Ende mit einem Prozentsatz seiner maximalen Tragfähigkeit, der durch den Verankerungsreduktionsbeiwert gegeben ist, wie in Fig. 15a dargestellt.
Die Verringerung der Verankerungslänge wird im Finite-Elemente-Modell durch ein Federelement am Stabende berücksichtigt (Fig. 15), das durch das in Fig. 15b dargestellte Materialmodell definiert ist. Die maximale Kraft, die von dieser Feder übertragen wird (Fau), beträgt:
Dabei ist:
β der Verankerungsbeiwert in Abhängigkeit von der Verankerungsart,
As der Querschnitt des Bewehrungsstabs,
fyd der Bemessungswert (mit Teilsicherheitsbeiwerten beaufschlagter Wert) der Streckgrenze der Bewehrung.
2.6 Vernetzung
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 von Größe und Form der Struktur berechnet, wobei der Durchmesser des größten Bewehrungsstabs berücksichtigt wird. Darüber hinaus stellt die empfohlene Elementgröße sicher, dass in dünnen Teilen der Struktur, wie schlanken Stützen oder dünnen Platten, mindestens 4 Elemente erzeugt werden, um in diesen Bereichen zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten. Die maximale Anzahl der Betonelemente ist auf 5000 begrenzt. Dieser Wert reicht jedoch für die meisten Strukturen aus, um die empfohlene Elementgröße einzuhalten. Anwender können jederzeit eine benutzerdefinierte Betonelementgröße wählen, indem sie den Multiplikator der Standard-Netzgröße ändern.
Bewehrung
Die Bewehrung wird in Elemente unterteilt, deren Länge ungefähr der Größe der Betonelemente entspricht. Sobald die Bewehrungs- und Betonnetze erzeugt sind, werden sie über Verbundelemente miteinander verbunden, wie in Abb. 13 dargestellt.
Auflagerplatten
Tragwerksbezogene Hilfsteile, wie Auflagerplatten, werden unabhängig vernetzt. Die Größe dieser Elemente wird mit 2/3 der Größe der Betonelemente im Verbindungsbereich berechnet. Die Knoten des Auflagerplattennetzes werden anschließend mit den Randknoten des Betonnetzes über Interpolations-Randbedingungselemente (RBE3) verbunden.
Lasten und Lager
Teilflächenlasten und Teilflächenlager werden, wie in Abb. 16 dargestellt, nur mit der Bewehrung verbunden. Daher ist es erforderlich, die Bewehrung um sie herum zu definieren. Die Verbindung zu allen Knoten der Bewehrung innerhalb des wirksamen Radius wird durch RBE3-Elemente mit gleicher Gewichtung sichergestellt.

Linienlager und Linienlasten werden anhand der festgelegten Breite oder des wirksamen Radius über RBE3-Elemente mit den Knoten des Betonnetzes verbunden. Die Gewichtung der Verbindungen ist umgekehrt proportional zum Abstand vom Lager bzw. vom Lastimpuls.
- Weitere Informationen zur Verknüpfung zwischen einzelnen Lasten und dem Netz finden Sie in der Allgemeinen Beschreibung von Lastimpulsen in der Detail-Anwendung
2.7 Lösungsverfahren und Algorithmus zur Laststeuerung
Zur Lösung eines nichtlinearen FEM-Problems wird ein standardmäßiger vollständiger Newton-Raphson-Algorithmus (NR) verwendet.
Im Allgemeinen konvergiert der NR-Algorithmus 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 folgenden Inkrements. Zu diesem Zweck wurde ein Algorithmus zur Laststeuerung auf Basis des Newton-Raphson-Verfahrens 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 Algorithmus zur Laststeuerung ist die Ermittlung der kritischen Last, 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 bestimmt. Wird das Abbruchkriterium irgendwo im Modell überschritten, werden die Ergebnisse des letzten Lastinkrements verworfen und 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 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 gewählt, dass er groß genug ist, damit die Auswirkungen des Quetschens in den Ergebnissen sichtbar werden, aber klein genug, um nicht zu viele Probleme mit der numerischen Stabilität zu verursachen.
Für die Bewehrung wird 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. Der gleiche Wert wird für das Kriterium im Druckbereich verwendet.
Das Abbruchkriterium in den Verbundelementen und Verankerungsfedern beträgt α·δumax, wobei δumax der in den Normnachweisen verwendete maximale Schlupf ist und α = 10.
2.8 Darstellung der Ergebnisse
Die Ergebnisse werden für Beton und für Bewehrungselemente getrennt dargestellt. Die Spannungs- und Dehnungswerte im Beton werden an den Integrationspunkten der Schalenelemente berechnet. Da es jedoch nicht praktikabel ist, die Daten in dieser Form darzustellen, werden die Ergebnisse standardmäßig in den Knoten dargestellt, und zwar als Maximalwert der Druckspannung aus den benachbarten Gauß-Integrationspunkten der angeschlossenen Elemente (Abb. 18). Dabei ist zu beachten, dass diese Darstellung die Ergebnisse an gedrückten Rändern von Bauteilen lokal unterschätzen kann, wenn die Größe der finiten Elemente der Höhe der Druckzone ähnelt.
Abb. 18 - Finites Betonelement mit Integrationspunkten und Knoten: Darstellung der Ergebnisse für Beton in Knoten und in finiten Elementen.
Die Ergebnisse für die finiten Bewehrungselemente sind entweder für jedes Element konstant (ein Wert – z. B. für Stahlspannungen) oder linear (zwei Werte – für Verbundergebnisse). Für Hilfselemente, wie z. B. Elemente von Auflagerplatten, werden nur Verformungen dargestellt.
3 Modellverifizierung
3.1 Grenzzustände und Rissbreitenberechnung
Die Bewertung der Struktur mit der CSFM erfolgt durch zwei verschiedene Analysen: eine für Lastkombinationen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit und eine für Lastkombinationen im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Die Analyse im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit geht davon aus, dass das Tragverhalten des Bauteils im Grenzzustand der Tragfähigkeit zufriedenstellend ist und die Fließbedingungen des Materials auf Gebrauchslastniveau nicht erreicht werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Verwendung vereinfachter Materialmodelle (mit einem linearen Ast der Spannung-Dehnung-Linie des Betons) für die Analyse im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, um die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit zu verbessern. Daher wird empfohlen, den nachfolgend beschriebenen Arbeitsablauf zu verwenden, bei dem die Analyse im Grenzzustand der Tragfähigkeit als erster Schritt durchgeführt wird.
Analyse im Grenzzustand der Tragfähigkeit
Die verschiedenen Nachweise, die von den jeweiligen Bemessungsnormen gefordert werden, werden auf Grundlage der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die GZT-Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Festigkeit der Bewehrung und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.
Um eine effiziente Bemessung eines Bauteils sicherzustellen, wird dringend empfohlen, eine Vorabanalyse durchzuführen, die die folgenden Schritte berücksichtigt:
- Wählen Sie eine Auswahl der maßgebenden Lastkombinationen.
- Berechnen Sie nur Lastkombinationen im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT).
- Verwenden Sie ein grobes Netz (indem Sie den Multiplikator der Standard-Netzgröße in Setup erhöhen (Abb. 19)).
Ein solches Modell lässt sich sehr schnell berechnen. So können Anwender die Konstruktionsdetails des Bauteils effizient überprüfen und die Analyse so lange wiederholen, bis alle Nachweisanforderungen für die maßgebenden Lastkombinationen erfüllt sind. Sobald alle Nachweisanforderungen dieser Vorabanalyse erfüllt sind, wird empfohlen, die vollständigen Lastkombinationen im Grenzzustand der Tragfähigkeit einzubeziehen und ein feines Netz zu verwenden (die vom Programm empfohlene Netzgröße). Der Anwender kann die Netzgröße über den Multiplikator ändern, der Werte von 0,5 bis 5 annehmen kann (Abb. 19).
Die grundlegenden Ergebnisse und Nachweise (Spannung, Dehnung und Ausnutzung (d. h. der berechnete Wert bezogen auf den Grenzwert der Norm) sowie die Richtung der Hauptspannungen bei Betonbauteilen) werden in verschiedenen Darstellungen angezeigt, wobei 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 angezeigt werden, wie Tensorwerte, Verformungen der Struktur und Bewehrungsgrade (effektiv und geometrisch), die zur Berechnung der Zugverfestigung der Bewehrungsstäbe verwendet werden. Darüber hinaus können Lasten und Auflagerreaktionen für ausgewählte Kombinationen oder Lastfälle dargestellt werden.
Analyse im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
Die GZG-Bewertungen werden für die Spannungsbegrenzung, die Rissbreite und die Grenzwerte der Durchbiegung durchgeführt. Die Spannungen in Beton und Bewehrung werden gemäß der anzuwendenden Norm ähnlich wie im GZT nachgewiesen.
Die Analyse im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit enthält bestimmte Vereinfachungen der Materialmodelle, die für die Analyse im Grenzzustand der Tragfähigkeit verwendet werden. Es wird ein vollkommener Verbund angenommen, d. h. die Verankerungslänge wird im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit nicht nachgewiesen. Außerdem wird der plastische Ast der Spannung-Dehnung-Linie des Betons unter Druck vernachlässigt, während der elastische Ast linear und unbegrenzt ist. Diese Vereinfachungen verbessern die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit und schränken die Allgemeingültigkeit der Lösung nicht ein, solange die resultierenden Materialspannungsgrenzen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit deutlich unter ihren Fließgrenzen liegen (wie von den Normen gefordert). Daher sind die für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit verwendeten vereinfachten Modelle nur gültig, wenn alle Nachweisanforderungen erfüllt sind.
Berechnung der Rissbreite und Zugverfestigung
Berechnung der Rissbreite
Es gibt zwei Möglichkeiten zur Berechnung von Rissbreiten – abgeschlossene und nicht abgeschlossene Rissbildung. Anhand des geometrischen Bewehrungsgrads in jedem Teil der Struktur wird entschieden, welches Rissberechnungsmodell verwendet wird (TCM für abgeschlossene Rissbildung und POM für das Modell der nicht abgeschlossenen Rissbildung).
Während das CSFM für die meisten Nachweise (z. B. Bauteiltragfähigkeit, Durchbiegungen …) ein direktes Ergebnis liefert, werden die Rissbreitenergebnisse aus den Bewehrungsdehnungsergebnissen berechnet, die direkt von der FE-Analyse gemäß der in Fig. 20 beschriebenen Methodik geliefert werden. Es wird eine Rissbildungskinematik ohne Schlupf (reine Rissöffnung) angenommen (Fig. 20a), was mit den Hauptannahmen des Modells übereinstimmt. Die Hauptrichtungen von Spannungen und Dehnungen definieren die Neigung der Risse (θr = θs= θe). Gemäß (Fig. 20b) kann die Rissbreite (w) in Richtung des Bewehrungsstabs (wb) projiziert werden, was zu Folgendem führt:
wobei θb die Stabneigung ist.
Bitte beachten Sie, dass das Programm Werte von θr und θb < π/2 anzeigt. Das bedeutet, dass die vorherige Gleichung für Fälle gilt, in denen die Bewehrung und der Riss durch unterschiedliche Quadranten des kartesischen Koordinatensystems verlaufen, wie in Fig. 20 dargestellt, wobei die Bewehrung durch den I. und III. Quadranten und der Riss durch den II. und IV. verläuft. Für Fälle, in denen die Bewehrung und der Riss durch dieselben Quadranten verlaufen, muss die Gleichung wie folgt modifiziert werden:
Die Komponente wb wird konsistent auf Grundlage der Zugverfestigungsmodelle durch Integration der Bewehrungsdehnungen berechnet. Für Bereiche mit voll ausgebildeten Rissmustern werden die berechneten Durchschnittsdehnungen (em) entlang der Bewehrungsstäbe direkt über den Rissabstand (sr) integriert, wie in (Fig. 20c) angegeben. Obwohl dieser Ansatz zur Berechnung der Rissrichtungen nicht der tatsächlichen Lage der Risse entspricht, liefert er dennoch repräsentative Werte, die zu Rissbreitenergebnissen führen, welche mit den normativ geforderten Rissbreitenwerten an der Position des Bewehrungsstabs verglichen werden können.
Besondere Situationen werden an konkaven Ecken der berechneten Struktur beobachtet. In diesem Fall gibt die Ecke die Position eines einzelnen Risses vor, der sich vor der Entwicklung weiterer benachbarter Risse nicht abgeschlossen verhält. Diese zusätzlichen Risse entwickeln sich im Allgemeinen erst nach dem Gebrauchstauglichkeitsbereich (Mata-Falcón 2015), was rechtfertigt, die Rissbreiten in einem solchen Bereich so zu berechnen, als wären sie nicht abgeschlossen (Fig. 21).

Zugverfestigung
Die Implementierung der Zugverfestigung unterscheidet zwischen Fällen abgeschlossener und nicht abgeschlossener Rissmuster. In beiden Fällen wird der Beton standardmäßig vor Belastung als vollständig gerissen betrachtet.
Abgeschlossene Rissbildung
Bei voll ausgebildeten Rissmustern wird die Zugverfestigung mithilfe des Zuggurtmodells (Tension Chord Model, TCM) eingeführt (Marti et al. 1998; Alvarez 1998) – Fig. 22a –, das trotz seiner Einfachheit hervorragende Vorhersagen des Verhaltens liefert (Burns 2012). Das TCM geht von einer abgestuften, starr-ideal-plastischen Verbundschubspannungs-Schlupf-Beziehung mit τb = τb0 =2 fctm für σs ≤ fy und τb =τb1 = fctm für σs > fy aus. Indem jeder Bewehrungsstab als Zuggurt behandelt wird – Fig. 22b und Fig. 22a –, kann die Verteilung von Verbundschub-, Stahl- und Betonspannungen und somit die Dehnungsverteilung zwischen zwei Rissen für jeden gegebenen Wert der maximalen Stahlspannungen (oder Dehnungen) an den Rissen bestimmt werden.
Für sr = sr0 kann sich ein neuer Riss bilden oder auch nicht, da in der Mitte zwischen zwei Rissen σc1 = fct gilt. Folglich kann der Rissabstand um den Faktor zwei variieren, d. h. sr = λsr0, mit l = 0,5…1,0. Unter Annahme eines bestimmten Werts für λ kann die durchschnittliche Dehnung des Zuggurts (εm) als Funktion der maximalen Bewehrungsspannungen (d. h. der Spannungen an den Rissen, σsr) ausgedrückt werden. Für das im CSFM standardmäßig berücksichtigte idealisierte bilineare Spannungs-Dehnungs-Diagramm für nackte Bewehrungsstäbe ergeben sich die folgenden geschlossenen analytischen Ausdrücke (Marti et al. 1998):
wobei:
Esh der Stahlverfestigungsmodul Esh = (ft – fy)/(εu – fy /Es) ,
Es Elastizitätsmodul der Bewehrung,
Ø Bewehrungsstabdurchmesser,
sr Rissabstand,
σsr Bewehrungsspannungen an den Rissen,
σs tatsächliche Bewehrungsspannungen,
fy Streckgrenze der Bewehrung.
Die Implementierung des CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt standardmäßig den durchschnittlichen Rissabstand bei der computergestützten Spannungsfeldanalyse. Der durchschnittliche Rissabstand wird als 2/3 des maximalen Rissabstands angenommen (λ = 0,67), was den Empfehlungen entspricht, die auf Grundlage von Biege- und Zugversuchen aufgestellt wurden (Broms 1965; Beeby 1979; Meier 1983). Es ist zu beachten, dass bei der Berechnung der Rissbreiten ein maximaler Rissabstand (λ = 1,0) berücksichtigt wird, um konservative Werte zu erhalten.
Die Anwendung des TCM hängt vom Bewehrungsgrad ab, weshalb die Zuordnung einer geeigneten, zwischen den Rissen auf Zug beanspruchten Betonfläche zu jedem Bewehrungsstab entscheidend ist. Es wurde ein automatisches numerisches Verfahren entwickelt, um den entsprechenden effektiven Bewehrungsgrad (ρeff = As/Ac,eff) für jede Konfiguration, einschließlich schräg verlaufender Bewehrung (Fig. 23).

Nicht abgeschlossene Rissbildung
Risse, die in Bereichen mit geometrischen Bewehrungsgraden unterhalb von ρcr auftreten – d. h. der minimalen Bewehrungsmenge, bei der die Bewehrung in der Lage ist, die Risslast ohne Fließen aufzunehmen –, entstehen entweder durch nichtmechanische Einwirkungen (z. B. Schwinden) oder durch das Fortschreiten von Rissen, die durch andere Bewehrung kontrolliert werden. Der Wert dieser Mindestbewehrung ergibt sich wie folgt:
wobei:
fy Streckgrenze der Bewehrung,
fct Betonzugfestigkeit,
n Verhältnis der Elastizitätsmoduln, n = Es / Ec .
Für herkömmlichen Beton und Betonstahl beträgt ρcr etwa 0,6 %.
Für Bügel mit Bewehrungsgraden unterhalb von ρcr wird die Rissbildung als nicht abgeschlossen betrachtet, und die Zugverfestigung wird mittels des in Fig. 22b beschriebenen Verbund-Auszugmodells (Pull-Out Model, POM) umgesetzt. Dieses Modell analysiert das Verhalten eines einzelnen Risses unter der Annahme, dass keine mechanische Wechselwirkung zwischen getrennten Rissen besteht, vernachlässigt die Verformbarkeit des Betons unter Zug und geht von derselben abgestuften, starr-ideal-plastischen Verbundschubspannungs-Schlupf-Beziehung aus, die auch im TCM verwendet wird. Dies ermöglicht es, die Bewehrungsdehnungsverteilung (εs) in der Umgebung des Risses für jede maximale Stahlspannung am Riss (σsr) direkt aus dem Gleichgewicht zu bestimmen. Da der Rissabstand bei einem nicht vollständig ausgebildeten Rissmuster unbekannt ist, wird die durchschnittliche Dehnung (εm) für jedes Lastniveau über die Distanz zwischen Punkten mit null Schlupf berechnet, wenn der Bewehrungsstab am Riss seine Zugfestigkeit (ft) erreicht (lε,avg in Fig. 22b), was zu folgenden Beziehungen führt:
Die vorgeschlagenen Modelle ermöglichen die Berechnung des Verhaltens der im Verbund liegenden Bewehrung, das schließlich in der Analyse berücksichtigt wird. Dieses Verhalten (einschließlich Zugverfestigung) für den gängigsten europäischen Betonstahl (B500B, mit ft / fy = 1,08 und εu = 5 %) ist in Fig. 22c-d dargestellt.
4 Tragwerksbezogene Nachweise nach Eurocode
Die Bewertung der Struktur mit dem CSFM erfolgt durch zwei verschiedene Analysen: eine für die Gebrauchstauglichkeit und eine für die Lastkombinationen im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Die Analyse der Gebrauchstauglichkeit setzt voraus, dass das Tragverhalten des Bauteils im Grenzzustand der Tragfähigkeit zufriedenstellend ist und die Fließbedingungen des Materials auf dem Lastniveau der Gebrauchstauglichkeit nicht erreicht werden. Dieser Ansatz ermöglicht für die Analyse der Gebrauchstauglichkeit die Verwendung vereinfachter Stoffgesetze (mit einem linearen Ast des Spannung-Dehnung-Diagramms von Beton), um die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit zu verbessern.
4.1 Materialmodelle (EN)
Beton - GZT
Das im CSFM implementierte Betonmodell basiert auf den einachsigen Werkstoffgesetzen für Druck nach EN 1992-1-1 für die Bemessung von Querschnitten, die nur von der Druckfestigkeit abhängen. Standardmäßig verwendet das CSFM das Parabel-Rechteck-Diagramm nach EN 1992-1-1 Abschn. 3.1.7 (1) (Abb. 24a). Tragwerksplaner können aber auch eine vereinfachte linear-elastisch-ideal-plastische Beziehung nach EN 1992-1-1 Abschn. 3.1.7 (2) (Abb. 24b) wählen. Die Zugfestigkeit wird wie in der klassischen Stahlbetonbemessung vernachlässigt.
Die Implementierung des CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druck. Nach Erreichen der Höchstspannung wird ein plastischer Ast mit εcu2 (εcu3) in Höhe von 5 % angesetzt, während EN 1992-1-1 eine Bruchdehnung von weniger als 0,35 % annimmt. Aufgrund dieser Vereinfachung kann die Verformungskapazität von Strukturen, die auf Druck versagen, nicht nachgewiesen werden. Ihre Tragfähigkeit fcd nach EN 1992-1-1 3.1.3 wird jedoch zutreffend erfasst. Dazu wird zusätzlich zum Faktor für gerissenen Beton (kc2, definiert in (Abb. 25)) die zunehmende Sprödigkeit des Betons bei steigender Festigkeit durch den Abminderungsbeiwert berücksichtigt, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:
mit:
αcc ist der Beiwert zur Berücksichtigung von Langzeitauswirkungen auf die Druckfestigkeit und von ungünstigen Auswirkungen aus der Art der Lastaufbringung. Er wird nach EN 1992-1-1 Abschn. 3.1.6 (1) bestimmt. Der Standardwert beträgt 1,0.
kc ist der globale Abminderungsbeiwert der Druckfestigkeit
kc2 ist der Abminderungsbeiwert infolge von Querrissen
fck ist die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ).
Beton - GZG
Der Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit enthält gewisse Vereinfachungen der Werkstoffmodelle, die für den Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit verwendet werden. Der plastische Ast der Spannung-Dehnung-Kurve von Beton unter Druck wird nicht berücksichtigt, während der elastische Ast linear und unbegrenzt ist. Das Gesetz der Druckerweichung wird nicht berücksichtigt. Diese Vereinfachungen verbessern die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit. Sie schränken die Allgemeingültigkeit der Lösung nicht ein, solange die resultierenden Materialspannungsgrenzen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit deutlich unterhalb der Fließgrenzen liegen (wie im Eurocode gefordert). Die für die Gebrauchstauglichkeit verwendeten vereinfachten Modelle sind daher nur gültig, wenn alle Nachweisanforderungen erfüllt sind.

Langzeiteffekte
Beim Nachweis der Gebrauchstauglichkeit werden die Langzeiteffekte von Beton über eine effektive Endkriechzahl (, standardmäßig mit dem Wert 2,5 angesetzt) berücksichtigt. Diese modifiziert den Sekantenmodul des Betons (Ecm) nach EN 1992-1-1, Abschnitt 3.1.4 (3) bzw. 7.4.3 (5) wie folgt:
Bei Berücksichtigung der Langzeiteffekte wird zunächst ein Laststufe mit allen ständigen Lasten unter Ansatz der Kriechzahl berechnet (d. h. mit dem effektiven Elastizitätsmodul des Betons, Ec,eff). Anschließend werden die zusätzlichen Lasten ohne Kriechzahl berechnet (d. h. mit Ecm). Für die Kurzzeitnachweise wird zusätzlich eine weitere Berechnung durchgeführt, in der alle Lasten ohne Kriechzahl berechnet werden. Beide Berechnungen für die Lang- und Kurzzeitnachweise sind in Abb. 26 dargestellt.
Die Kriechbeiwerte werden vom Benutzer in den Materialeigenschaften definiert und sind nach EN 1992-1-1, Abb. 3.1 zu berechnen.
Bewehrung
Standardmäßig wird das idealisierte bilineare Spannung-Dehnung-Diagramm für den blanken Bewehrungsstab nach EN 1992-1-1, Abschnitt 3.2.7 (Abb. 27) 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, abgeschreckt und selbstangelassen, …) berücksichtigt werden. Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann vom Benutzer definiert werden. In diesem Fall kann die Zugverfestigung jedoch nicht angesetzt werden (die Rissbreite kann nicht berechnet werden). Die Verwendung des Spannung-Dehnung-Diagramms mit horizontalem oberem Ast erlaubt keinen Nachweis der tragwerksbezogenen Dauerhaftigkeit. Daher ist ein manueller Nachweis der normativen Duktilitätsanforderungen erforderlich.
Die Zugverfestigung (Abb. 28) wird automatisch berücksichtigt. Dazu wird die eingegebene Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs modifiziert, um die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe zu erfassen (εm).
4.2 Sicherheitsbeiwerte
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwert-Format 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 Betonbemessung. Standardmäßig sind die Werte der Materialsicherheitsbeiwerte nach EN 1992-1-1, Kap. 2.4.2.4 eingestellt, der Benutzer kann die Sicherheitsbeiwerte jedoch in den Norm- und Berechnungseinstellungen ändern (Abb. 29).

Die Lastsicherheitsbeiwerte müssen vom Benutzer in den Kombinationsregeln für jede nichtlineare Kombination von Lastfällen definiert werden (Abb. 30). Für alle in Idea StatiCa Detail implementierten Vorlagen sind die Teilsicherheitsbeiwerte bereits vordefiniert.

Durch geeignete benutzerdefinierte Kombinationen von Teilsicherheitsbeiwerten können Anwender mit der CSFM auch nach dem Verfahren mit globalem Sicherheitsbeiwert für den Widerstand rechnen (Navrátil, et al. 2017), dieser Ansatz wird in der Bemessungspraxis jedoch kaum verwendet. Einige Richtlinien empfehlen, für die nichtlineare Berechnung das Verfahren mit globalem Sicherheitsbeiwert für den Widerstand anzuwenden. Bei vereinfachten nichtlinearen Berechnungen (wie der CSFM), die nur die Materialeigenschaften benötigen, die auch bei konventionellen Handberechnungen verwendet werden, ist es jedoch weiterhin vorzuziehen, das Teilsicherheitsbeiwert-Format zu verwenden.
4.3 Analyse im Grenzzustand der Tragfähigkeit
Die verschiedenen nach EN 1992-1-1 erforderlichen Nachweise werden auf Grundlage der direkten Ergebnisse des Modells bewertet. Die GZT-Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Bewehrungsfestigkeit und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.
Die Betonfestigkeit unter Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung σc = σc2 aus der FE-Analyse und dem Grenzwert σc,lim = fcd ermittelt.
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:
mit:
fyk Streckgrenze der Bewehrung nach EN 1992-1-1 Kap. 3.2.3,
k Verhältnis der Zugfestigkeit ftk zur Streckgrenze,
γs ist der Teilsicherheitsbeiwert für Bewehrung
Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis zwischen der mittels FE-Analyse berechneten Verbundspannung τb und der Verbundfestigkeit im Grenzzustand fbd, nach EN 1992-1-1 Kap. 8.4.2 ermittelt:
mit:
fctd ist der Bemessungswert der Betonzugfestigkeit nach EN 1992-1-1 Kap. 3.1.6 (2). Aufgrund der zunehmenden Sprödigkeit von Beton höherer Festigkeit wird fctk,0.05 nach EN 1992-1-1 Kap. 8.4.2 (2) auf den Wert für C60/75 begrenzt.
η1 ist ein Beiwert zur Berücksichtigung der Verbundbedingungen und der Lage des Stabes beim Betonieren (Abb. 31).
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 berücksichtigt den Stabdurchmesser:
η2 = 1,0 für Ø ≤ 32 mm
η2 = (132 - Ø)/100 für Ø > 32 mm
In IDEA StatiCa Detail werden die Verbundbedingungen gemäß Abb. 31 c) und d) berücksichtigt. Die Betonierrichtung kann in der Anwendung für jedes Projektelement wie folgt festgelegt werden.

Diese Nachweise werden mit den jeweils zutreffenden Grenzwerten für die einzelnen Bereiche der Struktur geführt (d. h., obwohl für Beton und Bewehrung jeweils nur eine Festigkeitsklasse vorliegt, unterscheiden sich die endgültigen Spannung-Dehnung-Diagramme in jedem Bereich der Struktur aufgrund der Effekte der Zugverfestigung und der Druckerweichung).
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-Analyse und kann auf zwei Arten definiert werden.
mit As als Querschnittsfläche des Bewehrungsstabes und σs als Spannung im Stab.
Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.
mit Fa als der tatsächlichen Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond als der Verbundkraft, die sich durch Integration der Verbundspannung τb entlang der Länge des Bewehrungsstabes l ergibt.
Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabes.
Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabes unter Berücksichtigung der Bruchfestigkeit des Bewehrungsstabes sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Verankerungshaken, Schlaufen usw.).
mit Cs als Umfang des Bewehrungsstabes und l als Länge vom Anfang des Bewehrungsstabes bis zum betrachteten Punkt.

mit Flim,add als zusätzlicher Kraft, die aus dem Winkel zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.
Zu den verfügbaren Verankerungsarten im CSFM gehören gerader Stab (d. h. ohne Abminderung durch Endverankerung), Winkelhaken, Haken, Schlaufe, angeschweißter Querstab, vollkommener Verbund und durchlaufender Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Abb. 32 für die Längsbewehrung und in Abb. 33 für Bügel dargestellt. Die verwendeten Verankerungsbeiwerte entsprechen EN 1992-1-1 Abschnitt 8.4.4 Tab. 8.2. Es ist zu beachten, dass das 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 genormten Verankerung und (iii) vollkommener Verbund.


Um EN 1992-1-1 einzuhalten, muss die Verankerungsfeder in der Berechnung verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, daher muss der Benutzer bei der Definition derBewehrungsanfangs- und -endbedingungen eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden.
4.4 Teilflächenbelastung (PLA)
Beim Bemessen von Betonstrukturen treten zwei große Gruppen von Teilflächenbelastungen (PLA) auf – die erste umfasst Auflager, die zweite Verankerungsbereiche. Nach den aktuell gültigen Normen für das Bemessen von Stahlbetonstrukturen, EN 1992-1-1, Kap. 6.7 (Abb. 34), sind bei Teilflächenbelastungen das lokale Quetschen des Betons und Querzugkräfte zu berücksichtigen. Bei einer gleichmäßig verteilten Last auf einer Fläche Ac0 kann die Drucktragfähigkeit des Betons in Abhängigkeit von der Verteilungsfläche Ac1. auf bis zum Dreifachen erhöht werden.
Die Teilfläche muss mit ausreichender Querbewehrung versehen sein, die so bemessen ist, dass sie die in diesem Bereich auftretenden Spaltzugkräfte aufnimmt. Für das Bemessen der Querbewehrung in Teilflächen wird nach dem Eurocode das Verfahren Strebe-und-Zugband angewendet. Ohne die erforderliche Querbewehrung darf eine Erhöhung der Drucktragfähigkeit des Betons nicht berücksichtigt werden.
Teilflächenbelastungen in der CSFM
Mit der CSFM ist es möglich, Stahlbetonstrukturen zu bemessen und zu bewerten und dabei den Einfluss der zunehmenden Druckfestigkeit des Betons in Teilflächen zu berücksichtigen. Da die CSFM ein scheibenartiges (2D) Modell ist und Teilflächenbelastungen eine räumliche (3D) Aufgabe darstellen, musste eine Lösung gefunden werden, die diese beiden unterschiedlichen Aufgabentypen kombiniert (Abb. 35). Wenn die Funktion „Teilflächenbelastung“ aktiviert ist, wird die zulässige Kegelgeometrie nach dem Eurocode erzeugt (Abb. 34). Alle geometrischen Überschneidungen werden für die vorgegebene Geometrie des Betonbauteils und die Abmessungen jeder PLA vollständig in 3D gelöst. Anschließend wird ein Berechnungsmodell der Teilfläche erstellt.

Die Modifikation des Materialmodells erwies sich als ungeeigneter Ansatz, vor allem weil die Zuordnung von Eigenschaften zum Netz der finiten Elemente problematisch ist. Es wurde festgestellt, dass ein vom Netz der finiten Elemente unabhängiger Ansatz die geeignetere Lösung ist. Für die bekannte Geometrie des Druckkegels werden vollständig kohärente fiktive Streben erzeugt (Abb. 35 und Abb. 37). Diese Streben haben identische Materialeigenschaften wie der im Modell verwendete Beton, einschließlich des Spannung-Dehnung-Diagramms. Die Form des Kegels bestimmt die Richtung der Streben, die die Last von der PLA schrittweise auf die Verteilungsfläche verteilen. Die flächenbezogene Dichte der fiktiven Streben ist in jedem Teil des Kegels veränderlich und fügt in Lastrichtung eine fiktive Betonfläche hinzu. In der Ebene der belasteten Fläche (Ac0) wird eine fiktive Betonfläche entsprechend dem Verhältnis hinzugefügt (wobei Areal die im 2D-Berechnungsmodell angenommene Auflagerfläche ist); diese Fläche nimmt in Richtung der Verteilungsfläche (Ac1) linear bis auf null ab. Diese Lösung stellt sicher, dass die Druckspannung im Beton über das gesamte Kegelvolumen konstant ist.
Die Tragfähigkeit der Teilfläche wird entsprechend dem Verhältnis von Verteilungsfläche zu belasteter Fläche nach EN 1992-1-1 (6.7) erhöht. Es ist zu beachten, dass es sich hierbei um ein Bemessungsmodell handelt, das den Spannungszustand über einer Teilfläche, dessen tatsächlicher Verlauf wesentlich komplexer ist, nicht exakt beschreiben kann. Diese Lösung ermöglicht jedoch die korrekte Verteilung der Last auf das gesamte Modell und berücksichtigt dabei die erhöhte Tragfähigkeit der Teilfläche. Zudem werden in diesem Bereich die Querspannungen korrekt erfasst.
Wenn die Funktion Teilflächenbelastung verwendet wird, um die Erhöhung der Drucktragfähigkeit des Betons zu simulieren, muss der Normnachweis nach EN 1992-1-1, Abschnitt 6.7 (2), separat geführt werden. Die von der Bewehrung aufgenommenen Querzugkräfte (Spaltzugkräfte) werden automatisch nachgewiesen.
4.5 Analyse im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
GZG-Bewertungen werden für die Spannungsbegrenzung, die Rissbreite und die Durchbiegungsgrenzen durchgeführt. Die Spannungen werden in Beton- und Bewehrungselementen nach EN 1992-1-1 in ähnlicher Weise nachgewiesen wie für den GZT.
Spannungsbegrenzung
Die Betondruckspannung ist zu begrenzen, um Längsrisse zu vermeiden. Nach EN 1992-1-1, Kap. 7.2 (2) können Längsrisse auftreten, wenn das Spannungsniveau unter der charakteristischen Lastkombination den Wert k1fck überschreitet. Die Betondruckspannung wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung σc = σc2 aus der FE-Analyse für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit und dem Grenzwert σc,lim bewertet. Dann gilt:
Dabei ist:
fck charakteristische Zylinderdruckfestigkeit des Betons,
k1 =0,6.
Wenn die Spannung im Beton unter den quasi-ständigen Lasten nach EN 1992-1-1, Abschn. 7.2(3) kleiner als k2fck ist, darf lineares Kriechen angenommen werden. Überschreitet die Betonspannung k2fck, ist nichtlineares Kriechen zu berücksichtigen (siehe EN 1992-1-1, Abschn. 3.1.4). In IDEA StatiCa Detail kann nur lineares Kriechen nach EN 1992-1-1, Abschn. 3.1.4 (3) angenommen werden (siehe Materialmodelle (EN)).
Unzulässige Rissbildung oder Verformung kann als vermieden angenommen werden, wenn unter der charakteristischen Lastkombination die Zugspannung in der Bewehrung k3fyk nicht überschreitet (EN 1992-1-1, Kap. 7.2 (5)). Die Ausnutzung der Bewehrung wird als Verhältnis zwischen der Spannung in der Bewehrung an den Rissen σs = σsr und dem festgelegten Grenzwert σs,lim bewertet:
Dabei ist:
fyk Streckgrenze der Bewehrung,
k3 =0,8.
Durchbiegung
Durchbiegungen können nur für Wände oder für isostatische (statisch bestimmte) oder hyperstatische (statisch unbestimmte) Träger bewertet werden. In diesen Fällen wird der Absolutwert der Durchbiegungen (verglichen mit dem Ausgangszustand vor der Belastung) betrachtet, und der maximal zulässige Wert der Durchbiegungen muss vom Benutzer festgelegt werden. Durchbiegungen an abgeschnittenen Enden können nicht nachgewiesen werden, da es sich dabei im Wesentlichen um instabile Strukturen handelt, bei denen das Gleichgewicht durch das Hinzufügen von Endkräften hergestellt wird und die Durchbiegungen daher unrealistisch sind. Die Kurzzeitdurchbiegung uz,st oder die Langzeitdurchbiegung uz,lt kann berechnet und mit benutzerdefinierten Grenzwerten verglichen werden:
Dabei ist:
uz Kurz- oder Langzeitdurchbiegung, berechnet mit der FE-Analyse,
uz,lim vom Benutzer definierter Grenzwert der Durchbiegung.
Rissbreite
Rissbreiten und Rissrichtungen werden nur für Langzeiteffekte (mit Ec,eff) für Kombinationen berechnet, bei denen die Rissbreitenbewertung aktiviert ist. Nachweise auf Grundlage benutzerdefinierter Grenzwerte gemäß Eurocode werden wie folgt dargestellt:
Dabei ist:
w mit der FE-Analyse berechnete Rissbreite,
wlim vom Benutzer definierter Grenzwert der Rissbreite.
Es gibt zwei Möglichkeiten zur Berechnung der Rissbreiten (abgeschlossene und nicht abgeschlossene Rissbildung). Im allgemeinen Fall (abgeschlossene Rissbildung) wird die Rissbreite durch Integration der Dehnungen an 1D-Elementen der Bewehrungsstäbe berechnet. Die Rissrichtung wird anschließend aus den drei nächstgelegenen Integrationspunkten der 2D-Betonelemente berechnet (vom Mittelpunkt des jeweiligen 1D-Finite-Elements der Bewehrung aus gemessen). Obwohl dieser Ansatz zur Berechnung der Rissrichtungen nicht der tatsächlichen Lage der Risse entspricht, liefert er dennoch repräsentative Werte. Diese führen zu Rissbreitenergebnissen, die mit den normativ geforderten Rissbreitenwerten an der Stelle des Bewehrungsstabs verglichen werden können.
5 Tragwerksbezogene Nachweise nach ACI 318-19
Die Bewertung der Struktur mit dem CSFM erfolgt durch zwei verschiedene Analysen: eine für die Gebrauchstauglichkeit und eine für die Lastkombinationen der Festigkeitsnachweise. Die Analyse der Gebrauchstauglichkeit setzt voraus, dass das Verhalten unter den Bemessungslasten zufriedenstellend ist und die Fließbedingungen des Materials auf dem Lastniveau der Gebrauchstauglichkeit nicht erreicht werden. Dieser Ansatz ermöglicht für die Analyse der Gebrauchstauglichkeit dieVerwendung vereinfachter Stoffgesetze (mit einem linearen Ast des Spannung-Dehnung-Diagramms von Beton), um die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit zu verbessern.
Das CSFM entspricht ACI 318-19, Kapitel 6.8.1.1. Damit das CSFM die Anforderungen von ACI 318-19, Abschnitt 6.8.1.2 erfüllt, wurden an verschiedenen Universitäten umfangreiche Verifizierungsversuche durchgeführt. Einzelne Artikel, die die Ergebnisse der Verifizierung und Validierung zusammenfassen, finden Sie unter folgendem Link.
5.1 Materialmodelle (ACI)
Beton - Festigkeit
Das in CSFM für Festigkeitsberechnungen implementierte Betonmodell basiert auf der parabolisch-plastischen Spannung-Dehnung-Kurve für Beton der Portland Cement Association, wie sie in PCA's Notes on ACI 318-99 Building Code Requirements for Structural Concrete, Figure 6-8 beschrieben ist. Die Zugfestigkeit wird vernachlässigt, wie bei der klassischen Stahlbetonbemessung.

Die Implementierung von CSFM in IDEA StatiCa Detail berücksichtigt kein explizites Versagenskriterium in Form von Dehnungen für Beton unter Druck. Nach Erreichen der Spitzenspannung wird ein plastischer Ast mit εc0 mit 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 nachzuweisen, die auf Druck versagen. Die Festigkeit wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn zusätzlich zum Faktor für gerissenen Beton (kc2, definiert in (Fig. 39)) die Zunahme der Sprödigkeit des Betons mit steigender Festigkeit durch den im fib Model Code 2010 definierten Abminderungsfaktor berücksichtigt wird:
mit:
α1 ist der Abminderungsfaktor der Betondruckfestigkeit nach ACI 318-19 Cl. 22.2.2.4.1. Bei Verwendung eines Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramms muss die maximale Druckspannung um diesen Faktor reduziert werden. 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 Festigkeitsreduktionsfaktor für Beton. Der Standardwert wird nach ACI 318-19 Table 24.2.1 (b)(f) gesetzt.
kc2 ist der Abminderungsfaktor infolge des Vorhandenseins von Querrissen.
f'c ist die Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ).
kc2 ist ein Abminderungsfaktor, der auf denselben Annahmen beruht wie der Knotenzonenbeiwert βn in ACI 318-19 Table 23.9.2. Der Unterschied besteht darin, dass in CSFM für jedes finite Element (nicht nur für die Knoten des Modells Strebe und Zugband) geprüft wird, ob eine Hauptzugspannung senkrecht zur Hauptdruckspannung vorhanden ist.
Beton – Gebrauchstauglichkeit
Die Berechnung der Gebrauchstauglichkeit enthält bestimmte Vereinfachungen der Stoffgesetze, die für die Festigkeitsberechnung verwendet werden. Der plastische Ast der Spannung-Dehnung-Kurve von Beton unter Druck wird vernachlässigt, während der elastische Ast linear und unbegrenzt ist. Das Gesetz der Druckerweichung wird nicht berücksichtigt. Diese Vereinfachungen verbessern die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit. Sie schränken die Allgemeingültigkeit der Lösung nicht ein, solange die resultierenden Materialspannungsgrenzen im Gebrauchszustand deutlich unterhalb ihrer Fließgrenzen liegen (wie von ACI gefordert). Daher gelten die für die Gebrauchstauglichkeit verwendeten vereinfachten Modelle nur, wenn alle Nachweisanforderungen erfüllt sind.

Langzeiteffekte
Das Langzeitverhalten der Struktur, wie Langzeitdurchbiegungen oder die Berechnung von Rissbreiten infolge ständig wirkender Lasten, wird durch das Kriechen des Betons beeinflusst. ACI 318-19 definiert in Abschnitt 24.2.4.1.3 den zeitabhängigen Faktor für ständig wirkende Lasten – ξ, der den Kriecheffekt für eine festgelegte Dauer der ständigen Last darstellt.
In der Detail-Anwendung wird der Elastizitätsmodul Ec mithilfe des Faktors ξ angepasst, um das Langzeitverhalten der Struktur zu bestimmen. Der angepasste Elastizitätsmodul wird als Ec,eff bezeichnet – siehe Figure 40.
Wird die Verformung des Elements durch die Dehnung ausgedrückt, gilt:
mit:
ε0 ist die Kurzzeitdehnung (ohne Einfluss des Kriechens) und εcreep ist die durch Kriechen verursachte Dehnung.
Mit dem Hookeschen Gesetz erhalten wir:
Durch Einsetzen von und erhalten wir:
Die Dauer der ständigen Last zur Bestimmung des Faktors ξ kann für jede Langzeitkombination im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit individuell festgelegt werden.

Die zeitabhängigen Durchbiegungen, Spannungen und Rissbreiten werden dann mit einem modifizierten Materialmodell berechnet, bei dem der Effekt der Druckverfeinerung automatisch durch die Natur der FE-Berechnung berücksichtigt wird. Es ist daher nicht erforderlich, sie zusätzlich mit dem in 24.2.4.1.1 definierten Faktor zu multiplizieren.
Kurzzeiteffekte
Für die Kurzzeitnachweise wird eine weitere Berechnung durchgeführt, bei der alle Lasten ohne den zeitabhängigen Faktor für ständig wirkende Lasten berechnet werden. Beide Berechnungen für Lang- und Kurzzeitnachweise sind in Fig. 40 dargestellt.
Bewehrung
Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird ein ideal elastisch-plastisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit definierter Fließgrenze angesetzt, siehe ACI 319-19 CL. 20.2.1. 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 Effekt der Zugverfestigung anzusetzen (die Rissbreite kann nicht berechnet werden).

mit:
Φs ist der Festigkeitsreduktionsfaktor für die Bewehrung. Der Standardwert wird nach ACI 318-19 Table 24.2.1 gesetzt.
fy ist die Streckgrenze der Bewehrung
Es ist der Elastizitätsmodul der Bewehrung
Als Grenzdehnung, bei der die Berechnung abgebrochen wird, ist 10 % gewählt. Dies gilt nach ASTM A955/A955M-20c Article 7 als sicher.
Die Zugverfestigung (Fig. 43) wird automatisch berücksichtigt, indem die eingegebene Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) erfasst wird.

5.2 Festigkeitsreduktion und Lastfaktoren
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle ausschließlich Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitskonzept ohne Anpassung angewendet werden. Auf diese Weise werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt, und die charakteristischen Materialeigenschaften werden mit den jeweiligen Festigkeitsreduktionsfaktoren abgemindert, genau wie bei der konventionellen Betonbemessung.
Die Werte der Festigkeitsreduktionsfaktoren sind in ACI 318-19 Abschn. 21.2 vorgeschrieben. Die Standardwerte für Beton und Bewehrung werden unter der Annahme gewählt, dass das typische, in der Anwendung gelöste Beispiel querkraftgesteuert ist (gemäß Tabelle 21.2.1 (b), (f), (g)). Es lässt sich jedoch jede Art von Element modellieren. Wird daher ein druck- oder zuggesteuertes Element bewertet, kann der Benutzer den Wert des Festigkeitsreduktionsfaktors in den Einstellungen ändern.

Lastfaktoren für Festigkeitskombinationen sind gemäß ACI 318-19 Tabelle 5.3.1 zu definieren.
Mit Ausnahme der Angaben in Kapitel 34 sind Lastkombinationen für den Gebrauchszustand 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.

5.3 Festigkeitsnachweise
Die verschiedenen von ACI 318-19 geforderten Nachweise werden auf Grundlage der direkten Ergebnisse des Modells geführt. Die Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Bewehrungsfestigkeit und die Verankerung (Verbundschubspannungen) durchgeführt.
Die Betonfestigkeit auf Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung fc (auch σ2 in den Hilfsergebnissen) aus der FE-Analyse und dem Grenzwert f'c,lim ermittelt.
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 ermittelt.
Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis zwischen der in der FE-Analyse berechneten Verbundspannung τb und der Verbundfestigkeit fbu ermittelt.
Die Norm ACI behandelt die Verbundfestigkeit jedoch nicht explizit, sondern arbeitet mit der Berechnung der sogenannten Verankerungslänge (development length), die in Abschnitt 25.4.2 beschrieben ist. Da die Verbundfestigkeit ein grundlegender Eingangsparameter für die Bestimmung der Verankerungslänge ist, siehe R25.4.1.1 und ACI Committee 408 1966, kann die Verbundfestigkeit wie folgt berechnet werden:
Wir nehmen an, dass beim Verankern eines Bewehrungsstabs in einem Betonblock mit der Verankerungslänge ld oder mehr das Herausziehen der Bewehrung zum Bruch der Bewehrung und nicht zum Herausziehen aus dem Beton führt. Dies lässt sich mit der folgenden Formel ausdrücken.
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 einfach herleiten:
Die Verankerungslänge ld wird anschließend nach ACI 318-19 Table 25.4.2.3 wie folgt bestimmt:
mit:
C = 25 (2,1 für metrisch) für Stäbe Nr. 6 und kleiner sowie für profilierte Drähte, C = 20 (1,7 für metrisch) für Stäbe Nr. 7 und größer, λ = 1,0 für Normalbeton, ψt, ψe, ψg werden nach ACI 318-19 Table 25.4.2.3 bestimmt.
Es wird nur unbeschichtete oder verzinkte (feuerverzinkte) 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.

Diese Nachweise werden mit den jeweils zutreffenden Grenzwerten für die einzelnen Teile der Struktur geführt (d. h., obwohl sowohl für den Beton als auch für die Bewehrung nur eine Festigkeitsklasse vorliegt, unterscheiden sich die endgültigen Spannung-Dehnung-Diagramme in jedem Teil der Struktur aufgrund der Effekte der Zugverfestigung und der Druckerweichung).
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-Analyse und kann auf zwei Arten definiert werden.
mit As als Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs als Spannung im Stab.
Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.
mit Fa als tatsächlicher Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond als Verbundkraft, die durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge des Bewehrungsstabs l ermittelt werden kann.
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.).
mit Cs als Umfang des Bewehrungsstabs und l als Länge vom Beginn des Bewehrungsstabs bis zum betrachteten Punkt.

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.
Zu den in CSFM verfügbaren Verankerungsarten gehören ein gerader Stab (d. h. keine Reduktion am Verankerungsende), ein 90-Grad-Haken, ein 180-Grad-Haken, vollkommener Verbund und ein durchlaufender Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β für die Längsbewehrung in Abb. 48 dargestellt. Die Werte der verwendeten Verankerungsbeiwerte werden aus dem Vergleich der Gleichung aus ACI 318-19 25.4.3.1 mit den Gleichungen aus ACI 318-19 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 % bei einer normgemäßen Verankerung und (iii) vollkommener Verbund.

Der Verankerungsbeiwert für Bügel beträgt stets β = 1,0.
Um die Anforderungen von ACI zu erfüllen, sollte in der Berechnung die Verankerungsfeder verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, daher muss der Benutzer bei der Definition der Start- und Endbedingungen der Bewehrung eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden.
5.4 Auflager- und Verankerungsbereiche – Teilflächenbelastung
Beim Bemessen von Betonstrukturen treffen wir auf zwei große Gruppen von teilflächenbelasteten Bereichen (PLA). Die erste umfasst Auflager, die zweite Verankerungsbereiche.
Nach den derzeit gültigen Normen für die Bemessung von Stahlbetonstruktur ACI 318-19, Kap. 22.8, sind bei Auflagern das lokale Quetschen des Betons und Querzugkräfte zu berücksichtigen. Bei einer gleichmäßig verteilten Last auf einer Fläche Ac1 kann die Drucktragfähigkeit des Betons in Abhängigkeit von der rechnerischen Verteilungsfläche Ac2 um bis zum Zweifachen erhöht werden. Siehe ACI 318-19, Tabelle 22.8.3.2.

Für nachgespannte Verankerungsbereiche ist ACI 318-19, Kap. 25.9 zu beachten.
Der teilflächenbelastete Bereich muss ausreichend mit Querbewehrung versehen sein, die für die Aufnahme der in diesem Bereich auftretenden Spaltkräfte bemessen ist. Ohne die erforderliche Querbewehrung darf die Erhöhung der Drucktragfähigkeit des Betons nicht berücksichtigt werden.
Teilflächenbelastete Bereiche in CSFM
Mit CSFM ist es möglich, Stahlbetonstruktur zu bemessen und zu bewerten und dabei den Einfluss der erhöhten Druckfestigkeit des Betons in teilflächenbelasteten Bereichen zu berücksichtigen. Da CSFM ein Scheibenmodell (2D) ist und teilflächenbelastete Bereiche eine räumliche (3D) Aufgabe darstellen, war eine Lösung erforderlich, die diese beiden unterschiedlichen Aufgabentypen verbindet (Fig. 50). Wird die Funktion „Teilflächenbelastete Bereiche“ aktiviert, wird die zulässige Kegelgeometrie nach ACI erzeugt (Fig. 49). Alle geometrischen Überschneidungen werden vollständig in 3D für die vorgegebene Geometrie des Betonbauteils und die Abmessungen jedes PLA gelöst. Anschließend wird ein Berechnungsmodell des teilflächenbelasteten Bereichs erstellt.

Die Änderung des Materialmodells erwies sich als ungeeigneter Ansatz, vor allem weil die Zuordnung der Eigenschaften zum Netz der finiten Elemente problematisch ist. Es wurde festgestellt, dass ein vom Netz der finiten Elemente unabhängiger Ansatz die geeignetere Lösung ist. Für die bekannte Geometrie des Druckkegels werden vollkommen kohärente fiktive Druckstreben erzeugt (Fig. 51 and Fig. 52). Diese Streben haben dieselben Materialeigenschaften wie der im Modell verwendete Beton, einschließlich des Spannung-Dehnung-Diagramms. Die Form des Kegels bestimmt die Richtung der Streben, die die Last schrittweise von der PLA auf die rechnerische Verteilungsfläche verteilen. Die Flächendichte der fiktiven Streben ist in jedem Teil des Kegels veränderlich und fügt in Lastrichtung eine fiktive Betonfläche hinzu. In der Ebene der belasteten Fläche (Ac1) wird eine fiktive Betonfläche gemäß dem Verhältnis hinzugefügt (wobei Areal die Auflagerfläche ist, die im 2D-Berechnungsmodell angenommen wird). Diese Fläche nimmt in Richtung der rechnerischen Verteilungsfläche (Ac2) linear bis auf null ab. Diese Lösung stellt sicher, dass die Druckspannung im Beton über das gesamte Kegelvolumen konstant ist.

Die Tragfähigkeit des teilflächenbelasteten Bereichs wird gemäß dem in ACI 318-19, Kap. 22.8 festgelegten Verhältnis von rechnerischer Verteilungsfläche zu belasteter Fläche erhöht. Dabei ist zu beachten, dass es sich um ein Bemessungsmodell handelt, das den Spannungszustand über einem teilflächenbelasteten Bereich, dessen tatsächlicher Kraftfluss wesentlich komplizierter ist, nicht exakt beschreiben kann. Diese Lösung ermöglicht jedoch die korrekte Verteilung der Last auf das gesamte Modell und berücksichtigt dabei die erhöhte Tragfähigkeit des teilflächenbelasteten Bereichs. Zudem werden in diesem Bereich Querspannungen korrekt eingeführt, um die Bewehrung für Spaltkräfte richtig zu bemessen.
Die zulässige Auflagerpressung von 0.85fc' ist in Tabelle 22.8.3.2 angegeben. Die Dichte wird so begrenzt, dass die in der Formel in Tabelle 22.8.3.2(b) angegebene maximale doppelte Tragfähigkeit nicht überschritten wird.
Für die Verankerungsbereiche wird die PLA in der Anwendung auf dieselbe Weise wie für Auflager verwendet. Daher müssen die in ACI 318-19, Kap. 25.9 definierten lokalen Bereiche manuell nach ACI 318-19, 25.9.3 nachgewiesen werden. Die PLA wird deshalb nur verwendet, um eine Überschreitung des Dehnungskriteriums im lokalen Bereich und damit einen vorzeitigen Abbruch der Berechnung zu vermeiden. Dagegen kann die Bewehrung, die den Spaltzug- und Abplatzspannungen in der Ebene widersteht, gemäß ACI 318-19, Abschnitt 25.9.4.3.1 (b) direkt und mit Vorteil in der Anwendung nachgewiesen werden.
5.5 Nachweise der Gebrauchstauglichkeit
Bewertungen der Gebrauchstauglichkeit werden für die Spannungsbegrenzung, die Rissbreite und die Durchbiegungsgrenzen durchgeführt. Die Spannungen in Beton und Bewehrungselementen werden nach ACI 318-19 auf ähnliche Weise nachgewiesen wie für die Tragfähigkeit.
Spannungsbegrenzung
Die zulässigen Betondruckspannungen unter Gebrauchslast müssen für vorgespannte Bauteile der Klassen U und T nachgewiesen werden. Gemäß Tabelle R24.5.2.1 ist für Beton, der als gerissen angenommen wird, kein Nachweis der Spannungsbegrenzung erforderlich. Der Benutzer muss die Klasse des vorgespannten Bauteils in den Einstellungen des Bemessungsbauteils festlegen.

Die zulässige Druckspannung für Bauteile unter vorübergehenden Lasten ist in ACI 318-19 24.5.4.1 als 0,6fc'. festgelegt. Die Druckspannungsgrenze von 0,45fc' wurde festgelegt, um die Versagenswahrscheinlichkeit von vorgespannten Betonbauteilen infolge wiederholter Lasten zu verringern. Diese Grenze erschien außerdem angemessen, um übermäßige Kriechverformungen auszuschließen. Bei höheren Spannungswerten nehmen die Kriechdehnungen mit zunehmender Spannung tendenziell schneller zu.
Die Betonspannung im Druckbereich wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung fc = σc2 aus der FE-Analyse für die Gebrauchstauglichkeit und dem Grenzwert ausgewertet, der anhand von Tabelle 24.5.4.1 festgelegt wird.

In der Anwendung wird Vorspannung plus ständige Last als Langzeitkombination und Vorspannung plus Gesamtlast als Kurzzeitkombination behandelt.
Durchbiegung
Je nach gewähltem Kombinationstyp (Langzeit oder Kurzzeit) wird entweder die Langzeit- oder die Kurzzeitdurchbiegung ausgewertet. Der maximal zulässige Wert der Durchbiegung ist vom Benutzer festzulegen und gemäß ACI 138-19 24.2 zu berücksichtigen.

In der Anwendung können die Durchbiegungen aus Eigenlast ΔDL und Nutzlast ΔLL sowie die Gesamtdurchbiegung ΔTot (Eigenlast + Nutzlast) getrennt angezeigt werden, jeweils zusammen mit der verformten Form.
Durchbiegungen an gekürzten Enden können nicht nachgewiesen werden.
Rissbreite
Rissbreiten und Rissrichtungen werden für Kurzzeit- oder Langzeitkombinationen der Gebrauchstauglichkeit berechnet. Da ACI Rissbreitengrenzen nicht direkt vorschreibt, muss der Benutzer eine Grenzrissbreite wlim festlegen.
Die Nachweise werden wie folgt dargestellt:
mit:
w Kurzzeit- oder Langzeit-Rissbreite, berechnet mit der FE-Analyse,
wlim vom Benutzer definierter Grenzwert der Rissbreite.
Die in der Anwendung verwendete Methode zur Berechnung der Rissbreiten, die auch in diesem Dokument ausführlicher beschrieben wird, entspricht ACI 224R-01. Daher kann Tabelle 4.1 aus ACI 224R-01 verwendet werden, um den Grenzwert der Rissbreiten zu bestimmen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Rissbreiten zu berechnen (stabilisierte und nicht stabilisierte Rissbildung). Im allgemeinen Fall (stabilisierte Rissbildung) wird die Rissbreite durch Integration der Dehnungen an 1D-Elementen der Bewehrungsstäbe berechnet. Die Rissrichtung wird anschließend aus den drei nächstgelegenen Integrationspunkten (ausgehend vom Mittelpunkt des jeweiligen 1D-Finite-Elements der Bewehrung) der 2D-Betonelemente berechnet. Dieser Ansatz zur Berechnung der Rissrichtungen entspricht zwar nicht der tatsächlichen Lage der Risse, liefert aber dennoch repräsentative Werte, die zu Rissbreitenergebnissen führen, die mit den normativ geforderten Rissbreitenwerten an der Position des Bewehrungsstabs verglichen werden können.
6 Tragwerksbezogene Nachweise nach AASHTO
6.1 Materialmodelle (AASHTO)
Beton – Festigkeit
Das für die Festigkeitsberechnungen in CSFM implementierte Betonmodell basiert auf den Annahmen der AASHTO-LRFD-Festigkeitsbemessung hinsichtlich Gleichgewicht und Dehnungskompatibilität. Gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.6.2.1, wird die Zugfestigkeit des Betons vernachlässigt.

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 Höchstspannung 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). Aufgrund dieser Vereinfachung kann die Verformungsfähigkeit von Strukturen, die auf Druck versagen, nicht nachgewiesen werden. Die Festigkeit wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn zusätzlich zum Faktor für gerissenen Beton (kc2, definiert in (Fig. 57)) die mit steigender Festigkeit zunehmende Sprödigkeit des beton über den Abminderungsfaktor berücksichtigt wird, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:
mit:
α1 ist der Abminderungsfaktor der Betondruckfestigkeit gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.6.2.2. Bei Verwendung eines Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramms muss die maximale Druckspannung um diesen Faktor reduziert werden. 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 Widerstandsbeiwert für Beton. Der Standardwert wird gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.5.4.2, festgelegt.
kc2 ist der Abminderungsfaktor infolge von Querrissen.
f'c ist die Zylinderdruckfestigkeit des Betons (in MPa für die Definition von ).
kc2 ist ein Abminderungsfaktor, der auf denselben Annahmen beruht wie der Wirksamkeitsbeiwert des Betons ν in AASHTO LRFD (2024), 5.8.2.5.3a und Tabelle 5.8.2.5.3a-1. Der Unterschied besteht darin, dass in CSFM das Vorhandensein einer Hauptzugspannung senkrecht zur Hauptdruckspannung für jedes finite Element geprüft wird (nicht nur für die Knoten des Strebe-und-Zugband-Modells).
Beton – Gebrauchstauglichkeit
Die Analyse der Gebrauchstauglichkeit enthält gewisse Vereinfachungen der Materialgesetze, die für die Festigkeitsanalyse verwendet werden. Der plastische Ast der Spannung-Dehnung-Kurve von Beton unter Druck wird vernachlässigt, während der elastische Ast linear und unbegrenzt ist. Das Gesetz der Druckerweichung wird nicht berücksichtigt. Diese Vereinfachungen verbessern die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit und schränken die Allgemeingültigkeit der Lösung nicht ein, solange die resultierenden Spannungsgrenzen der Materialien im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit deutlich unterhalb ihrer Fließgrenzen liegen (entsprechend dem Ansatz des Gebrauchstauglichkeits-Grenzzustands nach AASHTO LRFD). Daher sind die für die Gebrauchstauglichkeit verwendeten vereinfachten Modelle nur gültig, wenn alle Nachweisanforderungen erfüllt sind.

Langzeiteffekte
Das Langzeit-Materialgesetz (die rote Kurve in Fig. 59) wird für die Berechnung der Rissbreite, der gesamten Durchbiegung und für die Spannungsbegrenzung vorgespannter Bauteile verwendet, wenn in der oberen Multifunktionsleiste der Langzeiteffekt ausgewählt ist. In der IDEA StatiCa Detail-Anwendung wird für den Nachweis der Langzeiteffekte der effektive Elastizitätsmodul verwendet, wie in AASHTO LRFD (2024), C5.12.5.3.6-1, angegeben.
mit:
Ec ist der Elastizitätsmodul gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.4.2.4
ψ ist die Kriechzahl gemäß AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.4.2.3.2
Die Kriechbeiwerte werden vom Benutzer in den Materialeigenschaften definiert.
Kurzzeiteffekte
Für die Kurzzeitnachweise wird eine weitere Berechnung durchgeführt, bei der alle Lasten ohne den Kriechbeiwert berechnet werden. Beide Berechnungen für die Lang- und Kurzzeitnachweise sind in Fig. 59 dargestellt.
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 – die Festigkeit und der Elastizitätsmodul.
Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann auch vom Benutzer definiert werden. In diesem Fall kann jedoch der Effekt der Zugverfestigung nicht berücksichtigt werden (die Rissbreite kann nicht berechnet werden).

mit:
Φs ist der Widerstandsbeiwert für die 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 gilt auf Grundlage von ASTM A955/A955M-20c, Artikel 7, als sicher.
Die Zugverfestigung (Fig. 61) 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).

6.2 Widerstands- und Lastfaktoren
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur Standard-Materialeigenschaften verwenden, kann das in den Bemessungsnormen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwert-Format ohne Anpassung angewendet werden. Dabei werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt und die charakteristischen Materialeigenschaften mit den jeweiligen Widerstandsfaktoren reduziert, genau wie bei der herkömmlichen Betonberechnung.
Die Werte der Widerstandsfaktoren sind in AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.5.4, vorgeschrieben. Die Standardwerte für Beton und Bewehrung sind konservativ gewählt. Sie basieren auf der Annahme, dass das typische gelöste Beispiel ein D-Bereich ist, der Standardfall für das SaT-Verfahren. Es ist jedoch möglich, jeden Elementtyp zu modellieren. Wird daher ein druck- oder zugkontrolliertes Element nachgewiesen, kann der Benutzer den Wert des Festigkeitsreduktionsfaktors in den Einstellungen ändern.

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, zu definieren. AASHTO LRFD legt die Lastkombinationen für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (Strength I bis Strength V) sowie die Lastkombinationen für die Gebrauchstauglichkeit (Service I bis Service IV) ausdrücklich fest, einschließlich der zugehörigen Lastfaktoren für jeden Fall.
Für jede Vorlage enthält das Programm vordefinierte Grundkombinationen, die je nach bearbeitetem Element vervollständigt werden müssen.

6.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit
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.
Die Betonfestigkeit unter Druck wird als Verhältnis der maximalen Hauptdruckspannung fc (auch σ2 in den Hilfsergebnissen) aus der FE-Berechnung zum Grenzwert f'c,lim ausgewertet.
Die Festigkeit der Bewehrung wird sowohl für Zug als auch für Druck als Verhältnis der Spannung in der Bewehrung an den Rissen fs zum festgelegten Grenzwert fy,lim ausgewertet.
Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis der in der FE-Berechnung ermittelten Verbundspannung τb zur Verbundfestigkeit fbu ausgewertet.
Da die Verbundfestigkeit in AASHTO jedoch nicht explizit definiert ist, muss ihr Wert mithilfe 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) Article C5.10.8.2 oder NCHRP Report 733, Attachment E, Seite E-9.
Die in AASHTO LRFD (2024) Article 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 gesamten Querbewehrung und weiterer geometrischer Größen. Diese Größen können im Modell der Detail-Anwendung für allgemeine Eingaben nicht zuverlässig bestimmt werden. Daher wurde ein Ansatz aus AASHTO LRFD (2014) Article 5.11.2.1.1 auf die folgende Weise übernommen:
Wir nehmen an, dass bei einer Verankerung des Bewehrungsstabs in einem Betonblock über die Verankerungslänge ld oder mehr das Herausziehen der Bewehrung zum Bruch der Bewehrung und nicht zum Herausziehen aus dem Beton führt. Dies kann mit der folgenden Formel ausgedrückt werden.
Dabei gilt:
- 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.
Die Grundverankerungslänge für Zug ldb wird in AASHTO LRFD (2014) Article 5.11.2.1.1 wie folgt bestimmt:
Für Stäbe Nr. 11 und kleiner:
Für Stäbe Nr. 14:
Für Stäbe Nr. 18:
Dabei gilt:
- Ab ist die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs (in2)
- fy ist die festgelegte Streckgrenze der Bewehrung (ksi)
- f'c ist die festgelegte Druckfestigkeit des Betons nach 28 Tagen, sofern kein anderes Alter festgelegt ist (ksi)
- db ist der Durchmesser des Bewehrungsstabs (in)
Anschließend wird die Verankerungslänge ld als Eingangsgröße bestimmt, indem die Grundverankerungslänge ldb mit den in AASHTO LRFD (2014) Article 5.11.2.1.2 und 5.11.2.1.3 beschriebenen Faktoren multipliziert wird.
Die Modifikationsfaktoren aus 5.11.2.1.3, die die Verankerungslänge verringern, sind in der Anwendung immer gleich 1,0. Der Modifikationsfaktor für obere horizontale oder nahezu horizontale Bewehrung ist bei „schlechten“ Verbundbedingungen gemäß der folgenden Abbildung gleich 1,4:

Die Betonierrichtung kann in der Anwendung eingestellt werden.

Alle anderen in 5.11.2.1.2 bestimmten Faktoren sind gleich 1,0, da nur Normalbeton und nur unbeschichtete Bewehrung unterstützt werden.
Die Verbundschubspannung und die Verbundfestigkeit von Stäben unter Druck werden analog zu Stäben unter Zug berechnet, jedoch werden dabei die Gleichungen aus AASHTO LRFD (2014) Article 5.11.2.2 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.
Dabei ist Ab die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs die Spannung im Stab.
Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.
Dabei ist Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft, die sich durch Integration der Verbundspannung τb entlang der Länge des Bewehrungsstabs l ergibt.
Cs ist der Umfang des Bewehrungsstabs.
Die Grenzkraft Flim ist die maximale Kraft im Element des Bewehrungsstabs unter Berücksichtigung der Festigkeit des Bewehrungsstabs sowie der Verankerungsbedingungen (Verbund zwischen Beton und Bewehrung sowie Verankerungshaken, Schlaufen usw.).
Dabei ist Cs der Umfang des Bewehrungsstabs und l die Länge vom Anfang des Bewehrungsstabs bis zum betrachteten Punkt.

Dabei ist Flim,add die zusätzliche Kraft, die aus dem Winkel zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss immer kleiner als Fu sein.
Zu den in CSFM verfügbaren Verankerungsarten gehören ein gerader Stab (d. h. keine Reduktion für das Verankerungsende), ein 90-Grad-Haken, ein 180-Grad-Haken, vollkommener Verbund und ein durchlaufender Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Fig. 67 für die Längsbewehrung 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 normierten Verankerung und (iii) vollkommener Verbund.

Der Verankerungsbeiwert für Bügel (verfügbar für das Beam-Element) beträgt immer β = 1,0.
Um die Anforderungen von AASHTO zu erfüllen, 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.
6.4 Tragfähigkeit von Auflager- und Verankerungsbereichen – Teilflächenbelastete Bereiche
Bei der Bemessung von Betonstrukturen treten zwei große Gruppen von teilflächenbelasteten Bereichen (PLA) auf. Die erste umfasst Auflager, die zweite Verankerungsbereiche.
Nach den derzeit gültigen Normen für die Bemessung von Stahlbetonstrukturen sind bei Auflagern das lokale Quetschen des Betons und die Querzugkräfte zu berücksichtigen. Bei einer gleichmäßig verteilten Last auf einer Fläche A1 kann die Drucktragfähigkeit des Betons in Abhängigkeit von der rechnerischen Verteilungsfläche A2 bis auf das Doppelte erhöht werden. Siehe AASHTO LRFD (2024) Article 5.6.5.

Für Verankerungsbereiche von nachgespannten Bauteilen ist AASHTO LRFD (2024) Article 5.8.4.4 zu beachten.
Der teilflächenbelastete Bereich muss mit ausreichender Querbewehrung versehen sein. Diese ist so zu bemessen, dass sie die in diesem Bereich auftretenden Spaltkräfte überträgt. Ohne die erforderliche Querbewehrung darf eine Erhöhung der Drucktragfähigkeit des Betons nicht berücksichtigt werden.
Teilflächenbelastete Bereiche im CSFM
Mit dem CSFM lassen sich Stahlbetonstrukturen bemessen und bewerten, wobei der Einfluss der zunehmenden Druckfestigkeit des Betons in teilflächenbelasteten Bereichen berücksichtigt wird. Das CSFM ist ein Scheibenmodell (2D), während teilflächenbelastete Bereiche eine räumliche (3D) Aufgabenstellung darstellen. Daher musste eine Lösung gefunden werden, die diese beiden unterschiedlichen Aufgabentypen kombiniert (Abb. 69). Wird die Funktion „Teilflächenbelastete Bereiche“ aktiviert, wird die zulässige Kegelgeometrie nach ACI erzeugt (Abb. 68). Alle geometrischen Überschneidungen werden vollständig in 3D für die vorgegebene Geometrie des Betonbauteils und die Abmessungen jedes PLA gelöst. Anschließend wird ein Berechnungsmodell des teilflächenbelasteten Bereichs erstellt.

Die Modifikation des Materialmodells erwies sich als ungeeigneter Ansatz. Der Hauptgrund dafür war, dass die Abbildung der Eigenschaften auf das Netz der finiten Elemente problematisch ist. Es zeigte sich, dass ein vom Netz der finiten Elemente unabhängiger Ansatz die besser geeignete Lösung ist. Für die bekannte Geometrie des Druckkegels werden vollständig zusammenhängende fiktive Druckstreben erzeugt (Abb. 70 und Abb. 71). Diese Streben haben dieselben Materialeigenschaften wie der im Modell verwendete Beton, einschließlich des Spannung-Dehnung-Diagramms. Die Form des Kegels bestimmt die Richtung der Streben, die die Last schrittweise vom PLA auf die rechnerische Verteilungsfläche verteilen. Die flächenbezogene Dichte der fiktiven Streben ist in jedem Teil des Kegels veränderlich und fügt in Lastrichtung eine fiktive Betonfläche hinzu. In der Ebene der belasteten Fläche (A1) wird entsprechend dem Verhältnis eine fiktive Betonfläche hinzugefügt (wobei Areal die im 2D-Berechnungsmodell angenommene Auflagerfläche ist). Diese Fläche nimmt linear bis auf null zur rechnerischen Verteilungsfläche (A2) hin ab. Diese Lösung stellt sicher, dass die Betondruckspannung über das gesamte Kegelvolumen konstant ist.

Die Tragfähigkeit des teilflächenbelasteten Bereichs wird entsprechend dem Verhältnis von rechnerischer Verteilungsfläche zu belasteter Fläche erhöht, wie in AASHTO LRFD (2024) Article 5.6.5 festgelegt. Es ist zu beachten, dass es sich um ein Bemessungsmodell handelt, das den Spannungszustand über einem teilflächenbelasteten Bereich, dessen tatsächlicher Kraftfluss wesentlich komplizierter ist, nicht exakt beschreiben kann. Diese Lösung ermöglicht jedoch die korrekte Verteilung der Last auf das gesamte Modell unter Berücksichtigung der erhöhten Tragfähigkeit des teilflächenbelasteten Bereichs. Darüber hinaus werden in diesem Bereich die Querspannungen korrekt erfasst, sodass die Bewehrung für Spaltkräfte richtig bemessen werden kann.
Die zulässige Auflagerpressung von 0,85fc' ist in AASHTO LRFD (2024) Article 5.8.4.4 angegeben. Die Dichte wird so begrenzt, dass die in Formel 5.6.5-3 angegebene maximale doppelte Tragfähigkeit nicht überschritten wird.
Für die Verankerungsbereiche wird das PLA in der Anwendung auf dieselbe Weise verwendet wie für Auflager. Deshalb müssen die Druckspannungen in den lokalen und globalen Bereichen, die in Article 5.8.4.4 und 5.8.4.5 definiert sind, manuell nachgewiesen werden. Das PLA dient daher nur dazu, eine Überschreitung des Dehnungskriteriums im lokalen Bereich und damit einen vorzeitigen Abbruch der Berechnung zu vermeiden. Dagegen kann die Bewehrung, die den Spaltzug-, den Abplatz- (in der Ebene) und den Randzugspannungen in den globalen Bereichen (definiert in Article 5.8.4.5) widersteht, direkt und mit Vorteil in der Anwendung nachgewiesen werden.
6.5 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
Die Bewertungen der Gebrauchstauglichkeit werden für die Spannungsbegrenzung, die Rissbreite und die Durchbiegungsgrenzwerte durchgeführt. Die Spannungen in Beton- und Bewehrungselementen werden nach AASHTO LRFD ähnlich geprüft wie für die Tragfähigkeit.
Spannungsbegrenzung
Die Betondruckspannung wird nur für vorgespannte Bauteile (wenn der Lastfall Vorspannung im Modell vorhanden ist) ausgewertet. Sie wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung fc = σc2 aus der FE-Analyse für die Gebrauchstauglichkeit und den Grenzwerten ermittelt. Die Grenzwerte werden nach AASHTO LRFD Tabelle 5.9.2.3.2a-1 festgelegt.

In der Anwendung wird Vorspannung plus ständige Last als Sustain-Last behandelt und Vorspannung, ständige und veränderliche Last als Total-Last.

Zusätzlich kann immer eine Analyse sowohl für Kurzzeit- als auch für Langzeiteffekte durchgeführt werden. Dazu werden Materialmodelle verwendet, die den Kriechbeiwert entweder berücksichtigen oder nicht berücksichtigen – siehe Abschnitt „Materialmodelle (AASHTO)“.

Durchbiegung
Anfangsdurchbiegungen und Gesamtdurchbiegungen werden für jede Kombination ausgewertet, für die die Auswertung der Durchbiegung aktiviert ist.
- Für Anfangsdurchbiegungen wird der Elastizitätsmodul Ec nach AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.4.2.4, verwendet.
- Für Gesamtdurchbiegungen wird der effektive Elastizitätsmodul Ec,eff nach AASHTO LRFD (2024), Artikel C5.12.5.3.6, verwendet.
Siehe das Kapitel 'Materialmodelle (AASHTO) - Beton – Gebrauchstauglichkeit' in diesem Dokument.
Der Nachweis der Durchbiegung selbst wird in der oberen Multifunktionsleiste aktiviert. Der Benutzer legt die Grenzwerte der Durchbiegung nach AASHTO LRFD (2024), Artikel 2.5.2.6.2, in Abhängigkeit vom Typ des untersuchten Elements fest.

Die Durchbiegung an gekürzten Enden kann nicht nachgewiesen werden.
Rissbreite
Rissbreiten und Rissrichtungen werden nur für Langzeiteffekte berechnet (mit Ec,eff nach AASHTO LRFD (2024), Artikel C5.12.5.3.6). Dies gilt für Kombinationen, für die die Auswertung der Rissbreite aktiviert ist. Die Nachweise auf Grundlage der vom Benutzer festgelegten Grenzwerte lauten wie folgt:
wobei:
w die mit der FE-Analyse berechnete Rissbreite ist,
wlim der vom Benutzer festgelegte Grenzwert der Rissbreite ist.
Der Grenzwert wlim ist in Abhängigkeit vom Elementtyp und von der Expositionsklasse nach AASHTO LRFD (2024), Artikel 5.6.7 und dem zugehörigen Kommentar, zu bestimmen.
Es gibt zwei Möglichkeiten zur Berechnung der Rissbreiten (abgeschlossenes Rissbild und Erstrissbildung). Im allgemeinen Fall (abgeschlossenes Rissbild) wird die Rissbreite durch Integration der Dehnungen an den 1D-Elementen der Bewehrungsstäbe berechnet. Die Rissrichtung wird anschließend aus den drei nächstgelegenen Integrationspunkten der 2D-Betonelemente berechnet, gemessen vom Mittelpunkt des jeweiligen 1D-Finite-Elements der Bewehrung. Diese Berechnung der Rissrichtungen entspricht zwar nicht der tatsächlichen Lage der Risse. Sie liefert aber dennoch repräsentative Werte, aus denen sich Rissbreiten ergeben, die mit den normativ geforderten Rissbreitenwerten an der Position des Bewehrungsstabs verglichen werden können.
7 Tragwerksbezogene Nachweise nach der australischen Norm AS 3600 (2018)
Die Bewertung der Struktur mit dem CSFM erfolgt durch zwei verschiedene Analysen: eine für die Gebrauchstauglichkeit und eine für die Lastkombinationen der Festigkeitsnachweise. Die Analyse der Gebrauchstauglichkeit setzt voraus, dass das Verhalten unter den Bemessungslasten zufriedenstellend ist und die Fließbedingungen des Materials auf dem Lastniveau der Gebrauchstauglichkeit nicht erreicht werden. Dieser Ansatz ermöglicht für die Analyse der Gebrauchstauglichkeit die Verwendung vereinfachter Stoffgesetze (mit einem linearen Ast des Spannung-Dehnung-Diagramms von Beton), um die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit zu verbessern.
Das 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 – weiter in Kapitel 6.6.
Die Analyse mit dem CSFM berücksichtigt alle relevanten nichtlinearen und unelastischen Effekte (außer Schwinden), die in 6.6.3 definiert sind.
Um die Anforderungen in den Abschnitten 6.6.4 und 6.6.5 zu erfüllen – weitere Informationen finden sich in AS3600:2018 Sup 1:2022 Abschnitt C6.6 –, wurden Verifizierungen und Validierungen des Verfahrens an verschiedenen Universitäten durchgeführt. Einzelne Artikel, die die Ergebnisse der Verifizierung und Validierung zusammenfassen, finden Sie unter folgendem Link.
Da IDEA StatiCa Detail ein praxisorientiertes Bemessungsprogramm ist, wird für die Berechnungen die mit einem Beiwert abgeminderte charakteristische Zylinderdruckfestigkeit nach 28 Tagen f'c verwendet, wie im nächsten Kapitel beschrieben.
7.1 Materialmodelle (AS 3600)
Beton – Festigkeit
Das in CSFM für Festigkeitsberechnungen implementierte Betonmodell basiert auf der parabelförmig-plastischen Spannung-Dehnung-Kurve. Die Zugfestigkeit wird vernachlässigt, wie auch in der klassischen Stahlbetonbemessung.

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 εc0 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 Konstruktionen, die auf Druck versagen, nachzuweisen. Die Festigkeit wird jedoch korrekt vorhergesagt, wenn zusätzlich zum Faktor für gerissenen Beton (kc2, definiert in (Fig. 77)) die Zunahme der Sprödigkeit des Betons mit steigender Festigkeit mithilfe des Abminderungsfaktors berücksichtigt wird, der im fib Model Code 2010 wie folgt definiert ist:
wobei:
α2 der Abminderungsfaktor der Betondruckfestigkeit nach AS 3600 Cl. 8.3.1 ist
Bei Verwendung eines Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramms ist es erforderlich, die maximale Druckspannung um diesen Faktor abzumindern. 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 der Abminderungsfaktor der Spannung für Beton ist. Der Standardwert wird gemäß AS 3600 Table 2.2.3 festgelegt.
β der Abminderungsfaktor infolge von Querrissen ist (in diesem Text auch als kc2 bezeichnet)
f'c die Zylinderdruckfestigkeit des Betons ist (in MPa für die Definition von ).
β ist ein Abminderungsfaktor, der auf denselben Prinzipien beruht wie der in Kapitel 2.2.3 definierte Faktor für die wirksame Druckfestigkeit. Die Literatur, anhand derer dieser Faktor bestimmt wird, findet sich (auch im Kontext der Norm AS3600) in AS3600:2018 Sup 1:2022 CL. C2.2.3.
Beton – Gebrauchstauglichkeit
Die Gebrauchstauglichkeitsanalyse enthält gewisse Vereinfachungen der Stoffgesetze, die für die Festigkeitsanalyse verwendet werden. Der plastische Ast der Spannung-Dehnung-Kurve von Beton unter Druck wird vernachlässigt, während der elastische Ast linear und unbegrenzt ist. Das Gesetz der Druckerweichung wird nicht berücksichtigt. Diese Vereinfachungen verbessern die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit und verringern nicht die Allgemeingültigkeit der Lösung, solange die resultierenden Spannungsgrenzen der Materialien im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit deutlich unter ihren Fließgrenzen liegen (wie von AS3600 gefordert). Daher sind die für die Gebrauchstauglichkeit verwendeten vereinfachten Modelle nur gültig, wenn alle Nachweisanforderungen erfüllt sind.

Langzeiteffekte
In der Gebrauchstauglichkeitsanalyse werden die Langzeiteffekte des Betons mithilfe der Bemessungs-Kriechzahl nach AS 3600 CL 3.1.8 berücksichtigt (φcc, standardmäßig mit einem Wert von 2,5), die den Sekantenmodul des Betons (Ec) wie folgt modifiziert:
Die Laststufen werden nacheinander in der Reihenfolge Vorspannung – ständige Einwirkungen – veränderliche Einwirkungen berechnet, wobei für jede Laststufe der entsprechende effektive Elastizitätsmodul verwendet wird, wie in Fig. 78 dargestellt. Die Kriechzahlen werden vom Benutzer in den Materialeigenschaften definiert und sind nach AS 3600 CL 3.1.8.3 zu berechnen.

Kurzzeiteffekte
Zur Durchführung der Kurzzeitnachweise wird eine weitere Berechnung durchgeführt, bei der alle Lasten ohne den zeitabhängigen Faktor für Dauerlasten berechnet werden. Beide Berechnungen für die Lang- und Kurzzeitnachweise sind in Fig. 78 dargestellt.
Bewehrung
Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird ein ideal elastisch-plastisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit definierter Streckgrenze angesetzt, siehe AS 3600 Section 3.2. Die Definition dieses Diagramms erfordert lediglich die Kenntnis der grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung – der Festigkeit und des Elastizitätsmoduls.
Das Spannung-Dehnung-Diagramm der Bewehrung kann auch vom Benutzer definiert werden, in diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, die Zugverfestigung zu berücksichtigen (die Rissbreite kann nicht berechnet werden).

wobei:
Φs der Abminderungsfaktor der Festigkeit für Bewehrung ist. Der Standardwert wird gemäß AS 3600 Table 2.2.3 festgelegt.
fy die Streckgrenze der Bewehrung ist
Es der Elastizitätsmodul der Bewehrung ist
Die Zugverfestigung (Fig. 81) wird automatisch berücksichtigt, indem die Eingabe-Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs modifiziert wird, um die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) zu erfassen.

7.2 Spannungsreduktion und Lastfaktoren
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht den modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur standardmäßige Materialeigenschaften verwenden, kann das in den Normen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwert-Format ohne Anpassung angewendet werden. Auf diese Weise werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt, und die charakteristischen Materialeigenschaften werden mit den jeweiligen Spannungsreduktionsfaktoren abgemindert, genau wie bei der konventionellen Stahlbetonbemessung.
Die Werte der Spannungsreduktionsfaktoren sind in AUS 3600 Abschn. 2.2.3 vorgeschrieben. Die Standardwerte für Beton und Bewehrung sind gemäß Tabelle 2.2.3 festgelegt

Lastfaktoren für Kombinationen für die Tragfähigkeit sind gemäß AS 3600 Abschn. 4.2.2 zu definieren. Lastfaktoren für Kombinationen für die Gebrauchstauglichkeit sind gemäß Tabelle 4.1 zu bestimmen. Für alle Vorlagen sind die Lastfaktoren bereits vordefiniert.

7.3 Tragfähigkeits- und Verankerungsnachweise
Die verschiedenen nach AS 3600 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.
Die Betonfestigkeit unter Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung fc (auch σ2 in den Zusatzergebnissen) aus der FE-Analyse und dem Grenzwert f'c,lim ermittelt.
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 fsy,lim ermittelt.
Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis zwischen der in der FE-Analyse berechneten Verbundspannung τb und der Bemessungswert der Verbundspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit fbu ermittelt.
Zur Bestimmung des Bemessungswerts der Verbundspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit fbu wird in der Anwendung die Formel C13.1.2.2 aus AS3600:2018 Sup 1:2022 verwendet.
Dabei gilt f'c ≤ 65 MPa (in der Formel in MPa), und die Faktoren k werden nach AS 3600 Cl. 13.1.2.2 wie folgt bestimmt:
k3 = 0,7 (konservativer Wert für alle Bewehrung)
k2 = (132 - db) / 100 (db ist der Durchmesser des Bewehrungsstabs in Millimetern)
= 1,3 für einen horizontalen Stab mit mehr als 300 mm Beton unterhalb des Stabs, 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 eingestellt werden kann.

Die Grundverankerungslänge Lsy,tb wird nach Formel 13.1.2.2 in AS 3600 wie folgt berechnet:
Wie die Formel zeigt, ist die Grundverankerungslänge Lsy,tb nach unten begrenzt. Daher muss der Bemessungswert der Verbundspannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit fbu in der Anwendung auf die gleiche Weise begrenzt werden, sodass Folgendes gilt:
Dabei ist fsy in MPa angegeben.
Die Herleitung der Begrenzung von fbu lautet wie folgt:
Es besteht auch 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-Analyse und kann auf zwei Arten definiert werden.
Dabei ist As die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs die Spannung im Stab.
Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.
Dabei ist Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft, die durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge des Bewehrungsstabs l ermittelt werden kann.
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.).
Dabei ist Cs der Umfang des Bewehrungsstabs und l die Länge vom Beginn des Bewehrungsstabs bis zum betrachteten Punkt.

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.
Zu den in CSFM verfügbaren Verankerungsarten gehören gerader Stab (d. h. keine Reduzierung durch Verankerungsende), Standardwinkelhaken, Standardhaken, vollkommener Verbund und durchlaufender Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Fig. 86 für die Längsbewehrung dargestellt. Die Werte der verwendeten Verankerungsbeiwerte sind aus AS 3600 Cl. 13.1.2 abgeleitet. Es ist zu beachten, dass CSFM drei Arten von Verankerungsenden unterscheidet: (i) keine Reduzierung der Verankerungslänge, (ii) eine Reduzierung der Verankerungslänge um 50 % bei einer normierten Verankerung und (iii) vollkommener Verbund.

Der Verankerungsbeiwert für Bügel beträgt stets β = 1,0.
Um AS 3600 einzuhalten, muss die Verankerungsfeder in der Berechnung verwendet werden. Die Verankerungsfeder wird durch den Beiwert β modifiziert, daher muss der Anwender bei der Definition der Anfangs- und Endbedingungen der Bewehrung eine der verfügbaren Verankerungsarten verwenden.
7.4 Nachweise der Gebrauchstauglichkeit
Bewertungen der Gebrauchstauglichkeit werden für die Rissbreite und die Durchbiegungsgrenzen durchgeführt.
Durchbiegung
Abhängig von der gewählten Kombinationsart (Langzeit oder Kurzzeit) wird entweder die Langzeit- oder die Kurzzeitdurchbiegung ausgewertet. Der maximal zulässige Wert der Durchbiegung ist vom Benutzer festzulegen und gemäß AS 3600 Abschn. 2.3.2 zu berücksichtigen.

In der Anwendung können die Durchbiegungen infolge ständiger Last ΔPL und aufgebrachter Last ΔIL sowie die Gesamtdurchbiegung ΔTot (ständig + aufgebracht) getrennt angezeigt werden, jeweils zusammen mit der verformten Form.
Durchbiegungen an gekürzten Enden können nicht nachgewiesen werden.
Rissbreite
Rissbreiten und Rissrichtungen werden für Kurzzeit- oder Langzeitkombinationen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit berechnet. Das Verfahren zur direkten Berechnung der Rissbreiten in der Anwendung entspricht dem in AS 3600 8.6.2.3 angegebenen Verfahren (basiert darauf).
Die Nachweise werden wie folgt dargestellt:
mit:
w Kurzzeit- oder Langzeit-Rissbreite, berechnet mit der FE-Analyse,
wlim vom Benutzer festgelegter Grenzwert der Rissbreite.
Empfohlene maximale Rissbreiten sind in AS3600:2018 Sup 1:2022 Tabelle C2.3.3.1 zu finden.

Alternativ gelten gemäß AS3600:2018 Sup 1:2022 Abschn. C8.6.1 für Strukturen unter Langzeit-Gebrauchslasten die folgenden empfohlenen Werte für wlim:

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Berechnung der Rissbreiten (abgeschlossenes und nicht abgeschlossenes Rissbild). Im allgemeinen Fall (abgeschlossenes Rissbild) wird die Rissbreite durch Integration der Dehnungen an den 1D-Elementen der Bewehrungsstäbe berechnet. Die Rissrichtung wird anschließend aus den drei nächstgelegenen Integrationspunkten (vom Mittelpunkt des jeweiligen 1D-Finite-Elements der Bewehrung aus) der 2D-Betonelemente berechnet. Dieses Vorgehen zur Berechnung der Rissrichtungen entspricht zwar nicht der tatsächlichen Lage der Risse, liefert aber dennoch repräsentative Werte, die zu Rissbreiten führen, welche an der Position des Bewehrungsstabs mit den normativ geforderten Rissbreitenwerten verglichen werden können.
8 Tragwerksbezogene Nachweise nach CSA A23.3:24
Die Bewertung der Struktur mit dem CSFM erfolgt durch zwei verschiedene Analysen: eine für die Gebrauchstauglichkeit und eine für die Lastkombinationen der Festigkeitsnachweise. Die Analyse der Gebrauchstauglichkeit setzt voraus, dass das Verhalten unter den Bemessungslasten zufriedenstellend ist und die Fließbedingungen des Materials auf dem Lastniveau der Gebrauchstauglichkeit nicht erreicht werden. Dieser Ansatz ermöglicht für die Analyse der Gebrauchstauglichkeit die Verwendung vereinfachter Stoffgesetze (mit einem linearen Ast des Spannung-Dehnung-Diagramms von Beton), um die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit zu verbessern.
Das CSFM ist ein Berechnungsverfahren für Tragwerke, das die in CSA A23.3:24, Klausel 9.5 angegebenen Anforderungen an die Berechnung mit finiten Elementen erfüllt. Die Auswirkungen der Rissbildung werden direkt in den Materialmodellen berücksichtigt (Klausel 9.5.1), die Verankerung der Bewehrung wird explizit betrachtet (Klausel 9.5.3), und die Rissbreitenbegrenzung sowie die Durchbiegungen werden im Rahmen der Nachweise der Gebrauchstauglichkeit überprüft (Klausel 9.5.5). Da das CSFM ein kontinuierliches Spannungsfeldverfahren ist, steht es zudem im Einklang mit der nach Klausel 9.4 zulässigen Berechnung mit Strebe-und-Zugband-Modellen. Die in Klausel 11.4.2.3 angegebene Begrenzung der Druckspannung in Druckstreben spiegelt sich in der Grenzdruckfestigkeit des Betons wider (siehe die Definition der Beiwerte α und kc2 weiter unten).
Verifizierung und Validierung des Verfahrens wurden an verschiedenen Universitäten durchgeführt. Einzelne Artikel, die die Ergebnisse der Verifizierung und Validierung zusammenfassen, finden Sie unter folgendem Link.
Da IDEA StatiCa Detail ein praxisorientiertes Bemessungsprogramm ist, wird für die Berechnungen die mit einem Beiwert abgeminderte spezifizierte Druckfestigkeit des Betons f'c verwendet, wie im nächsten Kapitel beschrieben.
8.1 Materialmodelle (CSA)
Beton - Festigkeit
Das für die Festigkeitsberechnungen in CSFM implementierte Betonmodell basiert auf der parabel-plastischen Spannung-Dehnung-Linie. Die Zugfestigkeit wird vernachlässigt, wie bei der klassischen Stahlbetonbemessung. Für die Norm CSA wird nur das Parabel-Rechteck-Diagramm für Beton unterstützt.

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 nachzuweisen, die auf Druck versagen. Die Festigkeit wird jedoch zutreffend vorhergesagt, wenn zusätzlich zum Faktor für gerissenen Beton (kc2 definiert in Abb. 90) die Zunahme der Sprödigkeit des Betons mit steigender Festigkeit durch den im fib Model Code 2010 definierten Abminderungsbeiwert ηfc berücksichtigt wird:
wobei:
α der Faktor ist, der die Unterschiede zwischen der Festigkeit im Bauteil und der Festigkeit des Normzylinders gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 10.1.6 berücksichtigt. Die Anmerkung zu diesem Abschnitt verlangt, dass Spannungsblöcke auf Spannung-Dehnung-Linien mit einer Spitzenspannung von höchstens 0,9 f'c basieren. Der Faktor entspricht auch der Anforderung, die Druckspannung in Druckstreben gemäß Abschnitt 11.4.2.3 zu begrenzen. Der Standardwert ist 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 der Widerstandsbeiwert für Beton gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 8.4.2 ist.
kc2 der Abminderungsbeiwert infolge des Vorhandenseins von Querrissen (Druckerweichung) ist.
f'c die charakteristische Betondruckfestigkeit ist (in MPa für die Definition von ηfc).
Bei Verwendung eines Parabel-Rechteck-Spannung-Dehnung-Diagramms ist es notwendig, die maximale Druckspannung mit dem Faktor α abzumindern. 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 die äquivalente rechteckige Betonspannungsverteilung in CSA A23.3:24 Abschnitt 10.1.7 definiert, wo angenommen wird, dass die mit dem Widerstandsbeiwert abgeminderte Betonspannung α1 Φc f'c gleichmäßig über die äquivalente Druckzone verteilt ist.
kc2 ist ein Abminderungsbeiwert, der auf denselben Annahmen beruht wie die Begrenzung der Druckspannung in Druckstreben nach CSA A23.3:24 Abschnitt 11.4.2.3. Der Unterschied besteht darin, dass in CSFM das Vorhandensein einer Hauptzugdehnung senkrecht zur Hauptdruckspannung für jedes finite Element geprüft wird (nicht nur für die Streben und Knotenbereiche des Strebe-und-Zugband-Modells).
Beton – Gebrauchstauglichkeit
Die Berechnung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit enthält gewisse Vereinfachungen der Materialgesetze, die für die Tragfähigkeitsberechnung verwendet werden. Der plastische Ast der Spannung-Dehnung-Linie von Beton unter Druck wird vernachlässigt, während der elastische Ast linear und unbegrenzt ist. Das Gesetz der Druckerweichung wird nicht berücksichtigt. Diese Vereinfachungen verbessern die numerische Stabilität und die Berechnungsgeschwindigkeit und schränken die Allgemeingültigkeit der Lösung nicht ein, solange die resultierenden Materialspannungen im Gebrauchszustand deutlich unter ihren Fließgrenzen liegen (entsprechend den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit nach CSA A23.3:24 Abschnitt 9.8 und Abschnitt 18.3 für vorgespannte Bauteile). Daher sind die für die Gebrauchstauglichkeit verwendeten vereinfachten Modelle nur gültig, wenn alle Nachweisanforderungen erfüllt sind.
Langzeiteffekte
Das Langzeit-Materialgesetz wird für die Rissbreitenberechnung, die Gesamtdurchbiegung und die Spannungsbegrenzung vorgespannter Bauteile verwendet, wenn der Langzeiteffekt im oberen Menüband ausgewählt ist.
In der IDEA StatiCa Detail-Anwendung wird der Elastizitätsmodul Ec angepasst, um das Langzeitverhalten der Struktur über den zeitabhängigen Faktor s zu bestimmen. Der angepasste Elastizitätsmodul wird als Ec,eff bezeichnet – siehe Abbildung 92.
Wenn die Verformung des Elements durch die Dehnung ausgedrückt wird, kann geschrieben werden:
wobei:
ε0 die Kurzzeitdehnung (ohne Einfluss des Kriechens) und εcreep die durch Kriechen verursachte Dehnung ist.
Mit dem Hookeschen Gesetz können wir schreiben:
Durch Einsetzen von und erhalten wir:
wobei:
Ec der Elastizitätsmodul von Beton gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 8.6.2.2 ist
s der zeitabhängige Faktor ist. Drei Faktoren können vom Benutzer in der Registerkarte Materialien definiert werden und sind in Übereinstimmung mit dem Faktor für Durchbiegungen unter Dauerlasten ζs nach CSA A23.3:24 Abschnitt 9.8.2.5 (Abschnitt 9.8.4.4 für vorgespannte Bauteile) zu bestimmen:

Kurzzeiteffekte
Um die Kurzzeitnachweise durchzuführen, wird eine weitere Berechnung durchgeführt, bei der alle Lasten ohne den zeitabhängigen Faktor berechnet werden. Beide Berechnungen für die Langzeit- und Kurzzeitnachweise sind in Abb. 92 dargestellt.
Bewehrung
Für die nicht vorgespannte Bewehrung wird ein ideal elastisch-plastisches Spannung-Dehnung-Diagramm mit definierter Streckgrenze angesetzt. Die Bewehrungsmaterialien sind durch CSA G30.18:21 definiert. Die Definition dieses Diagramms erfordert lediglich die Kenntnis der grundlegenden Eigenschaften der Bewehrung – der Festigkeit und des Elastizitätsmoduls.
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 (die Rissbreite kann nicht berechnet werden).

wobei:
Φs der Widerstandsbeiwert für Bewehrung gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 8.4.3 ist.
fsy die Streckgrenze der Bewehrung ist
Es der Elastizitätsmodul der Bewehrung ist
Als Grenzdehnung, bei der die Berechnung abgebrochen wird, werden 10 % gewählt. Dies wird auf Grundlage von ASTM A955/A955M-20c Artikel 7 als sicher angesehen.
Die Zugverfestigung (Abb. 94) wird automatisch berücksichtigt, indem die eingegebene Spannung-Dehnung-Beziehung des blanken Bewehrungsstabs so modifiziert wird, dass die mittlere Steifigkeit der im Beton eingebetteten Stäbe (εm) erfasst wird.

8.2 Widerstands- und Lastfaktoren
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren entspricht modernen Bemessungsnormen. Da die Berechnungsmodelle nur Standardmaterialeigenschaften verwenden, kann das in den Normen vorgeschriebene Teilsicherheitsbeiwert-Format ohne Anpassung angewendet werden. Dabei werden die Eingangslasten mit Faktoren beaufschlagt und die festgelegten Materialeigenschaften mit den jeweiligen Widerstandsfaktoren abgemindert, genau wie bei der konventionellen Betonbemessung.
Die Werte der Materialwiderstandsfaktoren sind in CSA A23.3:24, Abschnitt 8.4 vorgeschrieben. Die abgeminderte Betonfestigkeit ist in Abschnitt 8.4.2 definiert, die abgeminderte Kraft in Bewehrung und Spanngliedern in Abschnitt 8.4.3. Die Standardwerte in IDEA StatiCa Detail entsprechen den in diesen Abschnitten angegebenen Werten für Strukturen, die nach Abschnitt 8 bemessen werden. Sie sind also nicht an die reduzierten Materialfaktoren angepasst, die für nach Abschnitt 16.1.3 zertifizierte Fertigteilwerke zulässig sind. Wird ein solcher Fall bewertet, kann der Benutzer die Werte der Widerstandsfaktoren in den Projekteinstellungen ändern.

Dabei gilt:
- Φc ist der Widerstandsfaktor für Beton nach CSA A23.3:24, Abschnitt 8.4.2.
- Φs ist der Widerstandsfaktor für Bewehrungsstäbe und einbetonierte Stahlanker nach CSA A23.3:24, Abschnitt 8.4.3 a).
- Φp ist der Widerstandsfaktor für Spannglieder nach CSA A23.3:24, Abschnitt 8.4.3 b).
Zusätzlich zu den Materialwiderstandsfaktoren wird in den Projekteinstellungen der Faktor α definiert, der die Unterschiede zwischen der Bauwerksfestigkeit und der Festigkeit des Standardzylinders berücksichtigt. Der Faktor ist in Kapitel 8.1 beschrieben. Sein Standardwert von 0,85 entspricht sowohl der Anforderung von CSA A23.3:24, Abschnitt 10.1.6, als auch der Begrenzung der Druckspannung in Druckstreben nach Abschnitt 11.4.2.3.

Lastfaktoren und Lastkombinationen sind gemäß der maßgebenden Baunorm 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 fest (Abschnitt 1.1). Eine angepasste Fassung der dortigen Bestimmungen zu Lastkombinationen ist in CSA A23.3:24, Anhang C (informativ), wiedergegeben. Die Lastkombinationen für die Grenzzustände der Tragfähigkeit sind in Tabelle C.1 a) für Lastfälle ohne Kranlasten und in Tabelle C.1 b) für Lastfälle mit Kranlasten angegeben. Maßgebend ist jeweils die Kombination, die zur ungünstigsten Wirkung führt. Den Lastfaktoren für seitlichen Erddruck H, Zwangswirkungen aus Vorspannung P und aufgezwungene Verformung T werden gemäß Abschnitt C.1.2.4 die Werte 1,5, 1,0 bzw. 1,25 zugewiesen.
Als Lastkombinationen für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit ist die Kombination anzusetzen, die für den betrachteten Grenzzustand zur ungünstigsten Wirkung führt, wie in Abschnitt 8.3.3 gefordert.
Da IDEA StatiCa Detail auch für die Bemessung von Brückendetails wie Pfeilerkappen, Querscheiben und Widerlagern verwendet wird, ist zu beachten, dass die in Anhang C wiedergegebenen Lastkombinationen und Lastfaktoren des National Building Code of Canada für Gebäude gelten. Für Straßenbrücken in Kanada ist das Canadian Highway Bridge Design Code CSA S6 maßgebend, das eigene Bemessungslasten, Lastkombinationen und Lastfaktoren festlegt. In solchen Fällen sind die Lastfaktoren und Lastkombinationen stattdessen nach CSA S6 zu bestimmen. Der Benutzer ist dafür verantwortlich, die Lastkombinationen festzulegen, die für die bewertete Struktur und für die von der zuständigen Behörde vorgeschriebene Normenausgabe maßgebend sind.

In der Anwendung stehen folgende Lastfalltypen zur Verfügung:
- Vorspannung
- Ständig
- Veränderlich
Jeder Kombination wird ein Grenzzustand zugewiesen. Dieser bestimmt sowohl die in der Analyse verwendeten Materialmodelle als auch die ausgewerteten Normnachweise:
- GZT – Die in Kapitel 8.3 beschriebenen Tragfähigkeitsnachweise werden mit dem Parabel-Rechteck-Materialmodell für Beton ausgewertet.
- GZG – Die in Kapitel 8.5 beschriebenen Gebrauchstauglichkeitsnachweise werden mit den linearen Materialmodellen für Beton ausgewertet. Bei der Gebrauchstauglichkeitskombination werden zwei Untertypen unterschieden:
- Dauerlast – Vorspannung plus ständige Last, verwendet für den Spannungsbegrenzungsnachweis vorgespannter Bauteile unter Dauerlasten.
- Gesamtlast – Vorspannung, ständige und vorübergehende Last, verwendet für den Spannungsbegrenzungsnachweis vorgespannter Bauteile unter Gesamtlasten.
Für jede Gebrauchstauglichkeitskombination legt der Benutzer zusätzlich fest, ob die Kombination für den Rissbreitennachweis und für den Nachweis der Durchbiegung aktiv ist.

Für jede Vorlage enthält das Programm vordefinierte Grundkombinationen, die je nach bearbeitetem Element zu ergänzen sind.
8.3 Grenzzustand der Tragfähigkeit
Die verschiedenen nach CSA A23.3:24 erforderlichen Nachweise werden anhand der direkten Ergebnisse des Modells beurteilt. Die Nachweise werden für die Betonfestigkeit, die Festigkeit der Bewehrung und die Verankerung (Verbundschubspannungen) geführt.
Die Betonfestigkeit auf Druck wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung fc (in den Hilfsergebnissen auch σc2 ), die aus der FE-Berechnung erhalten wird, und dem Grenzwert f'c,lim ausgewertet.
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 fsy,lim ausgewertet.
Die Verbundschubspannung wird unabhängig davon als Verhältnis zwischen der durch die FE-Berechnung ermittelten Verbundspannung τb und der Bemessungswert der Verbundfestigkeit fbu ausgewertet.
CSA A23.3:24 definiert keine Verbundfestigkeit explizit. Sie ist jedoch die Größe, aus der die Regelungen zur Verankerungslänge in Abschnitt 12 abgeleitet sind, und kann daher aus diesen 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 Stabs in den Beton überträgt. Ist ein Stab mit ld oder mehr eingebettet, führt das Herausziehen zum Fließen des Stabs und nicht zum Versagen des Verbunds. Gleichsetzen der Kraft, die von einer gleichmäßigen Verbundspannung fbu am Stabumfang übertragen wird, mit der Fließkraft des Stabquerschnitts ergibt:
mit:
- db ist der Nenndurchmesser des Stabs und π db ld die Verbundfläche;
- Ab = π db2 / 4 ist die Querschnittsfläche des Stabs;
- fyg ist die festgelegte Streckgrenze der Bewehrung.
Wir können schreiben:
Die vereinfachten Gleichungen für die Verankerungslänge von Rippenstäben auf Zug sind in CSA A23.3:24 Tabelle 12.1 (Abschnitt 12.2.3) angegeben. Die Anwendung verwendet den zweiten, konservativeren Fall mit der Bezeichnung Sonstige Fälle.
In der Anwendung gelten für die in CSA A23.3:24 Tabelle 12.2 (Abschnitt 12.2.4) definierten Modifikationsfaktoren kc = 1,0, da nur unbeschichtete Bewehrung unterstützt wird, und ka = 1,0, da nur Normalbeton unterstützt wird. Der verwendete Ausdruck lautet daher
Das Einsetzen dieses Ausdrucks in die Gleichgewichtsbedingung eliminiert die Verankerungslänge:
Sowohl fyg als auch db erscheinen im Zähler und im Nenner und kürzen sich daher:
Die Auswertung der Konstante, 1 / 2,4 = 0,4167, gerundet auf 0,42, ergibt die in der Anwendung implementierte Bemessungswert der Verbundfestigkeit:
Die Modifikationsfaktoren werden gemäß CSA A23.3:24 Tabelle 12.2 (Abschnitt 12.2.4) bestimmt:

Gemäß CSA A23.3:24 Abschnitt 12.1.2 beträgt der maximal zulässige Wert von √f'c bei der Berechnung der Verankerungslängen 8 MPa.
Der Faktor k1 wird automatisch aus der Lage der Bewehrung im Modell gemäß der folgenden Abbildung abgeleitet:

Für schlechte Verbundbedingungen gilt k1=1,3
Die Betonierrichtung kann in der Anwendung festgelegt werden.

Die Verbundschubspannung und die Verbundfestigkeit von Stäben auf Druck werden analog zu Stäben auf Zug berechnet, jedoch werden die Gleichungen für die Verankerungslänge auf Druck 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.
wobei As die Querschnittsfläche des Bewehrungsstabs und fs die Spannung im Stab ist.
Oder als Summe aus der Verankerungskraft Fa und der Verbundkraft Fbond.
wobei Fa die tatsächliche Kraft in der Verankerungsfeder und Fbond die Verbundkraft ist, die durch Integration der Verbundspannung τb über die Länge des Bewehrungsstabs l erhalten werden kann.
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.).
wobei Cs der Umfang des Bewehrungsstabs ist und l die Länge vom Beginn des Bewehrungsstabs bis zum betrachteten Punkt.

wobei Flim,add die zusätzliche Kraft ist, die aus dem Winkel zwischen benachbarten Elementen berechnet wird. Flim,2 muss stets kleiner als Fu sein.
Die verfügbaren Verankerungsarten 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 Verankerungsarten für Längsbewehrung umfassen einen geraden Stab (d. h. ohne Reduktion am Verankerungsende), eine 90-Grad-Biegung, eine 180-Grad-Biegung, vollkommenen Verbund und einen durchlaufenden Stab. Alle diese Arten sind zusammen mit den jeweiligen Verankerungsbeiwerten β in Fig. 103 dargestellt.

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 normierten Verankerung und (iii) vollkommenen Verbund. Die verwendeten Verankerungsbeiwerte lauten wie folgt:
Der Verankerungsbeiwert für Bügel (verfügbar für das Trägerelement) beträgt stets β = 1,0.
Um CSA A23.3 einzuhalten, 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.
8.4 Tragfähigkeit von Auflager- und Verankerungsbereichen – Teilflächenbelastung
Bei der Bemessung von Betonstrukturen treten zwei große Gruppen teilbelasteter Flächen (PLA) auf – die erste umfasst Auflager, die zweite Verankerungsbereiche.
Nach den derzeit gültigen Normen für die Bemessung von Stahlbetonstrukturen sind bei Auflagern das lokale Quetschen des Betons und Querzugkräfte zu berücksichtigen. Bei einer gleichmäßig verteilten Last auf einer Fläche A1 kann die Drucktragfähigkeit des Betons in Abhängigkeit von der Bemessungsverteilungsfläche A2 auf bis zum Zweifachen erhöht werden. Siehe CSA A23.3:24 Abschnitt 10.8.1.
außer wenn die Auflagerfläche allseitig breiter ist als die belastete Fläche. In diesem Fall darf die Auflagertragfähigkeit auf der belasteten Fläche multipliziert werden mit
Dabei ist:
- A1 die belastete Fläche;
- A2 die Bemessungsverteilungsfläche, gemessen in der Ebene, die durch die zulässige Lastausbreitung definiert ist;
- Φc der Widerstandsbeiwert für Beton nach Abschnitt 8.4.2, dessen Standardwert 0,65 beträgt (siehe Kapitel 8.2).
Für Verankerungsbereiche beim Nachspannen sollte CSA A23.3:24 Abschnitt 18.13 beachtet werden. Abschnitt 18.13.1 verlangt, dass Verankerungsbereiche beim Nachspannen so bemessen werden, dass sie die festgelegte Zugfestigkeit der Spannglieder aufnehmen können. Abschnitt 18.13.2 erlaubt die Bemessung nach einer der folgenden Methoden: Gleichgewicht auf Grundlage von Strebe-und-Zugband-Modellen nach Abschnitt 11.4; elastische Spannungsanalyse mit der Methode der finiten Elemente oder gleichwertigen Verfahren; versuchsbasierte Methoden; oder vereinfachte Gleichungen, soweit anwendbar. Abschnitt 18.13.4 verlangt zusätzlich, dass Bereiche mit Spannungskonzentration infolge abrupter Querschnittsänderungen ausreichend bewehrt werden.
Die zweite dieser Methoden wird durch CSFM repräsentiert, wodurch Detail direkt für die Bemessung von Spanngliedverankerungsbereichen nach CSA A23.3:24 anwendbar ist.
Die teilbelastete Fläche muss durch eine ausreichende Querbewehrung bewehrt werden, die für die Aufnahme der in diesem Bereich auftretenden Spaltkräfte bemessen ist, wie in Abschnitt 10.8.2 gefordert. Dieser verlangt Bewehrung in Auflagerbereichen zur Aufnahme von Spreng-, Spalt- und Abplatzkräften. Ohne die erforderliche Querbewehrung darf eine Erhöhung der Drucktragfähigkeit des Betons nicht berücksichtigt werden.
Teilbelastete Flächen in CSFM
Mit CSFM ist es möglich, Stahlbetonstrukturen zu bemessen und zu bewerten und dabei den Einfluss der zunehmenden Drucktragfähigkeit des Betons in teilbelasteten Flächen zu berücksichtigen. Da CSFM ein Scheibenmodell (2D) ist und teilbelastete Flächen eine räumliche (3D) Aufgabe darstellen, musste eine Lösung gefunden werden, die diese beiden unterschiedlichen Aufgabentypen verbindet (Abb. 105). Wenn die Funktion „teilbelastete Flächen“ aktiviert ist, wird die zulässige Kegelgeometrie nach CSA erzeugt (Abb. 104). Alle geometrischen Kollisionen werden vollständig in 3D für die vorgegebene Geometrie des Betonbauteils und die Abmessungen jeder PLA gelöst. Anschließend wird ein Berechnungsmodell der teilbelasteten Fläche erzeugt.

Die Modifikation des Materialmodells erwies sich als ungeeigneter Ansatz, vor allem weil die Übertragung der Eigenschaften auf das Finite-Elemente-Netz problematisch ist. Es wurde festgestellt, dass ein vom Finite-Elemente-Netz unabhängiger Ansatz die geeignetere Lösung ist. Für die bekannte Geometrie des Druckkegels werden vollständig kohärente fiktive Streben erzeugt (Abb. 105 und Abb. 106). Diese Streben haben dieselben Materialeigenschaften wie der im Modell verwendete Beton, einschließlich des Spannung-Dehnung-Diagramms. Die Form des Kegels bestimmt die Richtung der Streben, welche die Last schrittweise über die PLA auf die Bemessungsverteilungsfläche verteilen. Die Flächendichte der fiktiven Streben ist in jedem Teil des Kegels veränderlich und ergänzt in Lastrichtung eine fiktive Betonfläche. Auf der Ebene der belasteten Fläche (A1) wird eine fiktive Betonfläche entsprechend dem Verhältnis hinzugefügt (wobei Areal die im 2D-Berechnungsmodell angenommene Auflagerfläche ist). Diese Fläche nimmt linear bis auf null in Richtung der Bemessungsverteilungsfläche (A2) ab. Diese Lösung stellt sicher, dass die Druckspannung im Beton über das gesamte Kegelvolumen konstant ist.

Die Tragfähigkeitder teilbelasteten Fläche wird entsprechend dem Verhältnis von Bemessungsverteilungsfläche zu belasteter Fläche erhöht, wie in CSA A23.3:24 Abschnitt 10.8.1 festgelegt. Es ist zu beachten, dass es sich um ein Bemessungsmodell handelt, das den Spannungszustand in einer teilbelasteten Fläche, dessen tatsächlicher Verlauf wesentlich komplexer ist, nicht exakt beschreiben kann. Diese Lösung ermöglicht jedoch die korrekte Verteilung der Last auf das gesamte Modell unter Berücksichtigung der erhöhten Tragfähigkeit der teilbelasteten Fläche. Außerdem werden in diesem Bereich die Querspannungen korrekt erfasst, sodass die Bewehrung für Spaltkräfte richtig bemessen werden kann.
Die Dichte wird so begrenzt, dass die maximal zweifache Tragfähigkeit, die durch die Grenze √(A2/A1) ≤ 2 nach Abschnitt 10.8.1 gegeben ist, nicht überschritten wird.
Bei Verankerungsbereichen wird PLA in der Anwendung in gleicher Weise wie bei Auflagern verwendet. Die Druckspannung an der Verankerungsvorrichtung selbst muss daher manuell anhand der Anforderungen von Abschnitt 18.13 nachgewiesen werden. PLA dient in diesem Fall dazu, die Überschreitung des Dehnungskriteriums in der lokalen Zone und damit einen vorzeitigen Abbruch der Berechnung zu vermeiden. Dagegen kann die Bewehrung zur Aufnahme der Spreng-, Spalt- und Abplatzkräfte nach Abschnitt 10.8.2 sowie die Bewehrung der Bereiche mit Spannungskonzentration nach Abschnitt 18.13.4 direkt und mit Vorteil in der Anwendung nachgewiesen werden.
8.5 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
Die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit nach CSA A23.3:24 sind in Abschnitt 8.1.4 definiert: Durchbiegungen nach Abschnitt 8.1.4.1, lokale Schäden und Rissbildung nach Abschnitt 8.1.4.2 sowie Schwingungen nach Abschnitt 8.1.4.3. Die Bewertungen der Gebrauchstauglichkeit werden in Detail für die Spannungsbegrenzung, die Rissbreite und die Durchbiegungsgrenzen durchgeführt. Schwingungen werden nicht bewertet.
Alle Nachweise der Gebrauchstauglichkeit werden mit den in Kapitel 8.1 beschriebenen linearen Materialmodellen für die in Kapitel 8.2 beschriebenen Gebrauchstauglichkeitskombinationen durchgeführt. Es stehen sowohl eine Kurzzeit- als auch eine Langzeitberechnung zur Verfügung, wobei jeweils der mittlere Elastizitätsmodul Ec bzw. der effektive Elastizitätsmodul Ec,eff, verwendet wird.
Spannungsbegrenzung
Der Nachweis der Spannungsbegrenzung wird gemäß Abschnitt 18.3 nur für vorgespannte Bauteile durchgeführt, d. h. nur dann, wenn der Lastfall Vorspannung im Modell vorhanden ist.
CSA A23.3:24 verlangt den Nachweis sowohl der Beton- als auch der Spanngliedspannungen. Die zulässigen Spannungen in Spanngliedern nach Abschnitt 18.4 gelten für die Spannkraft beim Spannen und für den Zustand unmittelbar nach der Übertragung der Vorspannung, d. h. sie sind während des Spannvorgangs nachzuweisen. Dies liegt außerhalb des Modellumfangs und wird daher in Detail nicht bewertet.
Die Betondruckspannung wird als Verhältnis zwischen der maximalen Hauptdruckspannung fc = σc2 aus der FE-Berechnung für die Gebrauchstauglichkeit und dem Grenzwert ausgewertet. Die Grenzwerte stammen aus Abschnitt 18.3.2, der für Spannungen unter den festgelegten Lasten und der Vorspannung nach Berücksichtigung aller Spannkraftverluste gilt:

In der Anwendung wird Vorspannung plus ständige Last als Dauerlast und Vorspannung, ständige und veränderliche Last als Gesamtlast behandelt.

Die beiden Grenzwerte entsprechen den beiden Untertypen der in Kapitel 8.2 beschriebenen Gebrauchstauglichkeitskombination: Die Dauerlastkombination wird gegen 0,45 f'c und die Gesamtlastkombination gegen 0,60 f'c nachgewiesen. Beide Werte können in den Projekteinstellungen geändert werden, und jeder der beiden Nachweise kann unabhängig ausgeschaltet werden.

Die Spannung im Beton wird mit linearen Spannung-Dehnung-Diagrammen berechnet. Für jede Gebrauchstauglichkeitskombination werden zwei Berechnungen durchgeführt:
- Kurzzeit – Es wird der mittlere Elastizitätsmodul des Betons Ec berücksichtigt;
- Langzeit – Es wird der effektive Elastizitätsmodul Ec,eff unter Berücksichtigung des Kriechens für alle Berechnungsschritte angesetzt, d. h. für das Aufbringen der Vorspannung sowie der ständigen und veränderlichen Lasten.
Die Kriechzahlen werden, wie in Kapitel 8.1 beschrieben, als Materialeigenschaften definiert. Werden die Ergebnisse für die tatsächliche Betonspannung fc dargestellt, steht die Funktion zur Anpassung des Palettengrenzwerts zur Verfügung.

Dekompression
Detail bietet außerdem einen Dekompressionsnachweis für die Spannbewehrung, sofern im Modell ein Spanngliedobjekt definiert ist. Der Nachweis überprüft, dass der Beton in Höhe des Spannglieds unter Druck bleibt. Dies ist die Bedingung, die der Zugspannungsgrenze nach Abschnitt 18.3.2 c) für die vorgedrückte Zugzone zugrunde liegt.
Durchbiegung
CSA A23.3:24 verlangt die Berechnung von drei verschiedenen Arten der Durchbiegung, und zwar gemäß Abschnitt 9.8.2 für nicht vorgespannte Bauteile und gemäß Abschnitt 9.8.4 für vorgespannte Bauteile:
- Sofortige – die durch die definierte Lastkombination verursachte Durchbiegung, berechnet mit dem mittleren Elastizitätsmodul des Betons Ec gemäß Abschnitt 9.8.2.2;
- Langzeit – die zusätzliche Durchbiegung infolge von Kriechen und Schwinden gemäß Abschnitt 9.8.2.5;
- Gesamt – die durch die definierte Lastkombination verursachte Durchbiegung, berechnet mit dem effektiven Elastizitätsmodul Ec,eff. Der effektive Elastizitätsmodul wird für jeden Berechnungsschritt – Vorspannung, Eigengewicht und veränderliche Lasten – separat berechnet, unter Verwendung der in den Materialeigenschaften des Betons definierten Kriechzahlen, wie in Kapitel 8.1 beschrieben.
Die Langzeitdurchbiegung ist die Differenz zwischen der Gesamtdurchbiegung und der sofortigen Durchbiegung.
Die Berechnung wird für alle für den Durchbiegungsnachweis aktiven Kombinationen durchgeführt, wobei lineare Spannung-Dehnung-Diagramme für Beton mit dem jeweiligen Elastizitätsmodul angesetzt werden.
Die Ergebnisse werden im Durchbiegungsnachweis dargestellt. Der Benutzer aktiviert oder deaktiviert den Normnachweis für die Gesamtdurchbiegung und die sofortige Durchbiegung und legt für jede den Grenzwert fest.

Die Datenansicht zeigt eine Tabelle mit den Ergebnissen der sofortigen, der Langzeit- und der Gesamtdurchbiegung für die ausgewählte Lastkombination.
Die maximal zulässigen berechneten Durchbiegungen sind in CSA A23.3:24 Tabelle 9.3 angegeben, die nach Bauteilart und zu berücksichtigender Durchbiegung unterscheidet.
Die Grenzwerte sind vom Benutzer entsprechend der Art des untersuchten Elements festzulegen. Beachten Sie, dass sich die Grenzwerte der Tabelle 9.3 für die dritte und vierte Bauteilart auf den Anteil der Gesamtdurchbiegung beziehen, der nach dem Anbringen der nichttragenden Elemente auftritt, während Detail die Gesamtdurchbiegung ab Beginn der Lastgeschichte ausgibt. Die Anmerkungen zu Tabelle 9.3 erlauben es, die Langzeitdurchbiegung um den Betrag zu verringern, der vor diesem Anbringen auftritt; diese Verringerung liegt in der Verantwortung des Benutzers.
Rissbreite
CSA A23.3:24 begrenzt die Rissbildung in Abschnitt 10.6.1 indirekt über den Rissbeschränkungsparameter z. Die Anmerkung zu Abschnitt 8.1.4.2 besagt ausdrücklich, dass "this Standard does not specifically limit crack widths", und die Anmerkung zu Abschnitt 10.6.1 ergänzt, dass die Anforderungen dieses Abschnitts für Strukturen, die sehr aggressiven Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind oder wasserdicht ausgeführt werden sollen, möglicherweise nicht ausreichen.
Der Parameter z stellt einen potenziellen Grad der Rissbildung dar und keine physikalische Rissbreite. Der zugrunde liegende Zusammenhang berücksichtigt den Rissabstand nicht, der nicht zuverlässig vorhergesagt werden kann. Daher kann ein Wert von z nicht in eine Rissbreite umgerechnet und mit einer solchen verglichen werden.
Da CSA A23.3:24 kein Verfahren zur Berechnung einer Rissbreite angibt, ermittelt Detail die Rissbreite nach dem allgemeinen CSFM-Verfahren, das unabhängig von der Bemessungsnorm ist: Die entlang der Bewehrungsstäbe berechneten mittleren Dehnungen werden über den aus dem Zuggurtmodell erhaltenen Rissabstand integriert. Der Rissbreitennachweis wird für alle Gebrauchstauglichkeitskombinationen durchgeführt, bei denen die Eigenschaft "Active for the crack width check" aktiviert ist.
Die Berechnungen erfolgen mit linearen Spannung-Dehnung-Diagrammen für Beton. Für jede dem Rissbreitennachweis zugeordnete Gebrauchstauglichkeitskombination werden die oben beschriebenen Kurzzeit- und Langzeitberechnungen durchgeführt.
Der Nachweis wird wie folgt dargestellt:
wobei:
- w die mit der FE-Berechnung ermittelte Kurzzeit- oder Langzeitrissbreite ist;
- wlim ist der vom Benutzer definierte Grenzwert der Rissbreite.
Da CSA A23.3 keine Grenzwerte für Rissbreiten vorschreibt, muss der Benutzer wlim entsprechend den Expositionsbedingungen und den Anforderungen des Projekts festlegen.
Als Orientierung können CSA S6:14, Canadian Highway Bridge Design Code, Abschnitt 8.12.3.1 und Tabelle 8.6 herangezogen werden, die maximale Rissbreiten in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit für die jeweilige Art des Bauteils und der Exposition festlegt:

Diese Werte sind für Straßenbrücken festgelegt. Für nach CSA A23.3 bemessene Gebäude sind sie keine verbindliche Anforderung, sie stellen jedoch die in der kanadischen Bemessungspraxis für die entsprechenden Expositionsbedingungen angesetzten Grenzwerte dar.
Sie stehen zudem im Einklang mit der Größe, die die Anwendung auswertet. CSA S6:14 Abschnitt 8.12.3.2 berechnet die Rissbreite als w = kb βc srm εsm
d. h. als Produkt aus einem Rissabstand srm und einer mittleren Bewehrungsdehnung εsm, also genau die Größe, die das CSFM durch Integration der berechneten Dehnungen entlang der Bewehrungsstäbe über den Rissabstand erhält. Die Grenzwerte der Tabelle 8.6 sind somit für eine Rissbreite gleicher Art definiert wie die von der Anwendung ausgegebene, im Gegensatz zu einem Grenzwert, der aus einem Stabverteilungsparameter wie z abgeleitet wird.
9 Vorspannung – Modellbeschreibung
Einführung und Materialmodelle
Das Kompatible Spannungsfeldverfahren (CSFM) ist ein Berechnungsverfahren auf Grundlage ebener 2D-Spannungszustände. Der Beton wird dabei mit finiten 2D-Elementen modelliert, an die 1D-Bewehrungselemente über Randbedingungen angeschlossen werden. Dem Modell können auch spezielle 1D-Elemente für die Spannbewehrung mit Verbund hinzugefügt werden, die sich als vorgespannt im Spannbett oder als nachgespannt modellieren lassen.
Die vorgespannte Bewehrung wird ähnlich wie die konventionelle Bewehrung mit Linienelementen modelliert, die Normalkräfte übertragen. Jedes einzelne Spannbewehrungselement wird durch seine Querschnittsfläche und seine Materialeigenschaften beschrieben. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der charakteristischen Materialkurve gemäß der verwendeten Norm (EN 1992-1-1, ACI 318-19 usw.).
EUROCODE
Spannung-Dehnung-Diagramm der Spannbewehrung: a) Spannung-Dehnung-Diagramm nach EN 1992-1-1; b) Anfangsdehnung der im Spannbett vorgespannten Bewehrung

ACI
Spannung-Dehnung-Diagramm der Spannbewehrung: a) Spannung-Dehnung-Diagramm; b) Anfangsdehnung der im Spannbett vorgespannten Bewehrung

Die Bewehrungselemente werden über ein Verbundmodell auf die gleiche Weise wie die klassische Betonbewehrung mit den 2D-Elementen des Betonmodells verbunden.
- Lesen Sie Typen finiter Elemente
Die Elemente des Verbundmodells ermöglichen die Relativverschiebung zwischen der Spannbewehrung und dem Beton mit entsprechenden nichtlinearen Eigenschaften. Damit werden sowohl der Verbund der Bewehrung mit dem Beton als auch das Verankerungsmodell der im Spannbett vorgespannten Bewehrung korrekt abgebildet. Die Endausbildungen der nachgespannten Bewehrung, z. B. die Ankerplatte, werden durch ein Element mit einer Steifigkeit modelliert, die dem Anker am Ende der Spannbewehrung entspricht. Die endseitige Vorspannkraft wird als Flächenlast über eine Fläche in der Größe der Ankerplatte auf das Betonmodell aufgebracht. Das Modell kann den lokalen dreiachsigen Spannungszustand im Bereich unter dem Anker nicht korrekt beschreiben. Dieser Bereich muss gesondert betrachtet werden.
Die Zugverfestigung der Bewehrung infolge der Wechselwirkung mit dem Beton wird bei der Spannbewehrung nicht berücksichtigt, da angenommen wird, dass sich der Beton in der Umgebung der Spannbewehrung unter Druck befindet.
Im Spannbett vorgespannte Bewehrung
Die im Spannbett vorgespannte Bewehrung wird vor dem Betonieren des Bauteils vorgespannt. Die Spannbewehrung wird fast immer geradlinig geführt, daher treten keine Reibungsverluste der Vorspannung auf. Sobald die erforderliche Betonfestigkeit erreicht ist, wird die Bewehrung von den Ankerblöcken gelöst. Dadurch wird die vorgespannte Bewehrung aktiviert und die Kräfte werden von der Bewehrung auf den Beton übertragen. Dieser Effekt entspricht physikalisch einer Abkühlung der Bewehrung und wird, ähnlich wie eine thermische Belastung, durch eine Anfangsdehnung modelliert. Daraus ergibt sich das Spannung-Dehnung-Diagramm der vorgespannten Bewehrung, wie in der Abbildung oben unter b) dargestellt. Das Berechnungsmodell ermittelt automatisch die Verformungsantwort der Struktur auf die aufgebrachte Vorspannung und bestimmt somit die Spannkraftverluste infolge elastischer Dehnung des Bauteils direkt.
Da die Vorspannkraft und damit auch die Vorspannung σpmo bekannt sind, wird das Materialdiagramm der Bewehrung für die Abhängigkeit der Spannung von der Verformung verwendet. Sie kann wie folgt geschrieben werden:
Unter der Annahme, dass die Vorspannung in der Bewehrung niedriger als die Streckgrenze ist (d. h. die in EN 1992-1-1, Kapitel 5.10.3 definierten Bedingungen sind erfüllt), kann die Anfangsverformung auch wie folgt berechnet werden:
ε0 - Anfangsdehnung aus der Vorspannung
σpm0 - Spannung unmittelbar vor dem Lösen
Ep - Elastizitätsmodul der Spannbewehrung
Die im Spannbett vorgespannte Bewehrung ist insofern besonders, als die Endverankerung durch mehrere unterschiedliche Mechanismen erfolgt: die Haftung zwischen Bewehrung und Beton auf molekularer Ebene, die Reibung an der Grenzfläche zwischen der Bewehrungsoberfläche und dem Beton, das mechanische Eindrücken der Spiralbewehrung in den Beton sowie die Vergrößerung des Durchmessers der Spannbewehrung, die als Keilwirkung oder Hoyer-Effekt bekannt ist. Die genannten Effekte werden im CSFM-Berechnungsmodell durch die Anpassung der Eigenschaften des Verankerungsmodells im Endbereich der im Spannbett vorgespannten Bewehrung berücksichtigt.
Wechselwirkung zwischen im Spannbett vorgespannter Bewehrung und Beton: a) Eindrücken der Spiralbewehrung in den Beton; b) Hoyer-Effekt

Nachgespannte Bewehrung
Die nachgespannte Bewehrung wird vorgespannt, nachdem die Struktur betoniert wurde. Die Spannvorrichtung stützt sich direkt an der Struktur ab, sodass die Verluste infolge der elastischen Dehnung der Struktur aus der Vorspannung entfallen. Sobald die gewünschte Vorspannkraft erreicht ist, wird die Bewehrung verankert, und anschließend werden die Hüllrohre verpresst, wodurch der Verbund der Bewehrung mit der Struktur hergestellt wird. Bei der Modellierung nachgespannter Bewehrung wird die Berechnung daher in mehrere Laststufen unterteilt: Vorspannen, Aufbringen weiterer ständiger Lasten und Aufbringen veränderlicher Lasten.
Finite-Elemente-Betonnetz mit angeschlossenen 1D-Spannbewehrungselementen:

Laststufe „Vorspannen"
Beim Vorspannen der Bewehrung wird die Steifigkeit der Bewehrung nicht in die Steifigkeit der Struktur einbezogen. In dieser Laststufe wird die Steifigkeit des Linienelements im Modell nicht berücksichtigt. Die Bewehrungselemente werden durch eine Ersatzlast ersetzt, die der Vorspannung und der Bewehrungsfläche entspricht, wie in der Abbildung oben dargestellt. Nach Erreichen der vollen Last aus der Vorspannung und der Konvergenz dieser Laststufe wird die Verformung des jeweiligen Linienelements ausgelesen. Anhand der Verformung wird die Anfangsdehnung ε0 der einzelnen Linienelemente der Spannbewehrung bestimmt.
Die Vorspannung kann manuell entlang der Bewehrungslänge definiert oder automatisch anhand der Geometrie der Bewehrung berechnet werden. Wird die automatische Berechnung der Verluste gewählt, werden die Reibungsverluste (nach EN 1992-1-1, 5.10.5.2 bzw. ACI 318-19, 20.3.2) und der Schlupf der Bewehrung (Eindrücken der Ankerkeile) beim Verankern berücksichtigt. Da die gesamte Spannbewehrung in einem Schritt aufgebracht wird, werden Verluste infolge schrittweisen Vorspannens nicht berücksichtigt.
Folgende Laststufen mit aktivierter Spannbewehrung
In den folgenden Laststufen (Aufbringen weiterer ständiger und veränderlicher Lasten) wird das gleiche Verfahren wie bei der im Spannbett vorgespannten Bewehrung angewendet. Die volle Steifigkeit der vorgespannten Bewehrung wird berücksichtigt, der Verbund zwischen der Bewehrung und dem umgebenden Beton wird berücksichtigt, und das Spannung-Dehnung-Diagramm der vorgespannten Bewehrung wird um die Anfangsdehnung ε0 modifiziert. Diese Dehnung ist für jedes Element unterschiedlich und wurde in der vorherigen Laststufe „Vorspannen" ermittelt. Aufgrund des Verbunds zwischen Bewehrung und Beton wird die Änderung der Vorspannung infolge der elastischen Verformung der Struktur unter äußerer Last im Modell korrekt berücksichtigt.
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