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Validierungsstudien zu Fertigteilbauten

Dieser Artikel fasst die Validierungsstudien zu den Funktionen für Stahlbetonfertigteilbauten und deren Ergebnisse zusammen. Das Referenzbeispiel ist das Gebäude aus dem Buch „Önüretimli Betonarme Örnek Bir Sanayi Binasının TBDY-2018’e Göre Analiz ve Tasarımı“ der Türkiye Prefabrik Birliği (unten „Buch“).

1. Validierungsansatz​

Die Validierung erfolgte in Schichten; jede Schicht sichert die Eingangsdaten der darüberliegenden ab:

  • Elementkern: Elementtests der Mathematik des Elements mit veränderlichem Querschnitt anhand geschlossener Lösungen und hochaufgelöster numerischer Referenzen.
  • Querschnittsgeometrie: Vergleich der Querschnittseigenschaften der Precast-Vorlagen mit der eigenen Querschnittsberechnung von SAP2000.
  • Berechnungskerne: Zeilenweiser Vergleich der Berechnungen zu Anhang 8B, Laufkran, unterschiedlichen R–D, Anschlüssen, Fassadenpaneel und Gleiten im Fundament mit den Zahlenbeispielen des Buchs.
  • Gebäudemaßstab: Aufbau und Analyse des Buchgebäudes in StatiCAD; Vergleich von Erdbebengrößen, Schnittgrößen und Bewehrungen mit dem Buch.
  • Unabhängige Finite-Elemente-Kontrolle: Erneuter Aufbau desselben Finite-Elemente-Modells in SAP2000 v27 und Vergleich von Perioden, reduzierter Steifigkeit und Verschiebungen.

2. Element mit veränderlichem Querschnitt​

Die Mathematik des Elements wurde mit Testprogrammen mit 87 Kontrollen geprüft; alle wurden bestanden:

PrüfungReferenzErgebnis
12×12-Steifigkeitsmatrix bei konstantem QuerschnittPrismatische Euler- und Timoshenko-Elementmatrizen des ProgrammsGleich bis auf 10⁻⁹ relative Genauigkeit
Flexibilitätsintegrale des Kragarms bei konischem QuerschnittNumerisches Integral mit 400 000 Punkten und analytische MittelwerteGleich bis auf 10⁻⁶ relative Genauigkeit
Starrkörperbewegungen und SymmetrieK·urijit = 0, K = KᵀErfüllt
Einspannkräfte aus Streckenlast, konstanter QuerschnittqL/2, qL²/12Gleich bis auf 10⁻⁹ Genauigkeit
Einspannkräfte, konisches und mehrteiliges ElementKräfte- und MomentengleichgewichtErfüllt
hinweis

Die Berechnung prismatischer Elemente wird durch die Ergänzung des veränderlichen Querschnitts nicht beeinflusst.

3. Geometrie der Precast-Querschnitte​

Die Eigenschaften der aus parametrischen Vorlagen erzeugten Querschnitte wurden mit den von SAP2000 berechneten Eigenschaften von Querschnitten verglichen, die mit denselben Parametern in SAP2000 definiert wurden:

VorlageDifferenz bei Fläche und TrägheitsmomentBewertung
Precast I, Precast Box, Trapezoidal, Box/Tube≤ 0,02 %Deckungsgleich
Precast TAnalytisch (Summe der Rechteckteile)Exakt
Precast UFläche im Beispielquerschnitt −4,1 %Differenz im Detail der Flansch–Wand-Verbindung

4. Berechnungskerne: Zahlenbeispiele aus dem Buch​

4.1 Ersatzdiagonale nach TBDY Anhang 8B​

GrößeBuchStatiCAD
Äquivalente Axialsteifigkeit (EA)e727 960 N727 982 N
Kraftkapazität der Diagonale Fmax10 628 N10 622 N
hinweis

Die kleinen Differenzen beruhen auf Rundungen von π und cos α im Buch.

4.2 Laufkranlasten​

GrößeWert (Buch = StatiCAD)
Gesamte Radreaktion366 kN
Gewicht der Brücke166 kN
Massenanteil je Rad41,5 kN
Bemessungsmoment des Kranbahnträgers Md692,8 kNm
Bemessungsquerkraft des Kranbahnträgers Vd516 kN
Horizontales Bemessungsmoment64,3 kNm
tipp

Alle Werte stimmen exakt mit dem Buch überein.

4.3 Unterschiedliche R und D im oberen und unteren Gebäudeteil​

FallGröße (X / Y)BuchStatiCAD
A (νoben = 0,408 / 0,406)ν0,763 / 0,7620,763 / 0,762
(R̄a)unten3,932 / 3,9373,931 / 3,935
D̄unten1,805 / 1,8071,805 / 1,808
B (νoben = 0,320 / 0,261)(R̄a)unten4,121 / 4,2614,121 / 4,259
D̄unten1,929 / 2,021,929 / 2,018

4.4 Anschlüsse nach TBDY Kapitel 8​

tipp

Alle 43 Kontrollen wurden bestanden; abgesehen von den zwei bewussten Abweichungen unten stimmen die Ergebnisse exakt mit dem Buch überein.

AnschlussGrößeErgebnisBewertung
MFB (Dachträger)Horizontalkraft, Moment, Bolzenschubtragfähigkeit (2Ø36)88,6 kN; 65,77 kNm; 173,3 kNDeckungsgleich
MFBZugkraft der Anschlussbewehrung358 kN (Buch 253,5 kN)Das Programm wendet den Hebelarm nach TBDY Bild 8.1 an; sichere Seite
MAB3 (Achse E)Horizontalkräfte (−/+/mit D −/mit D +)440 / 335 / 1017 / 912 kNDeckungsgleich
MAB3 (Achse E)Obere/untere Bewehrung, Schweißfläche1355 / 1032 mm², 5381 mm²Deckungsgleich
MAB3 (Achse E)Momententragfähigkeiten MRd− / MRd+286,5 / 409 kNmDeckungsgleich
MAB3 (Achse B)Horizontaler Schubanschluss5512 mm²Deckungsgleich
MAB3 (Achse B)Obere Bewehrung3339 mm² (Buch 3630 mm²)In der Achse-B-Berechnung des Buchs wurde in die Formel eine abweichende Größe eingesetzt; die Anordnung der Achse E wurde zugrunde gelegt
PfetteTragfähigkeiten für Bolzenschub, Schweißung und Knicken114,6 / 113,4 / 347 kNDeckungsgleich

4.5 Fassadenpaneel und Gleiten im Fundament​

BerechnungErgebnis
Fassadenpaneel (10,1 t, R/I = 3, Tp = 0,787 s)Ersatzerdbebenlast 102,3 kN, Untergrenze 41,1 kN — deckungsgleich
Gleiten im Fundament (Achse E)Rth = 107,5 kN ≥ Vth = 103 kN — deckungsgleich

5. Vergleich im Gebäudemaßstab​

Das Buchgebäude (Grundriss 40×75 m, Höhe 10 m, Zwischengeschoss auf +5,00 zwischen A–C, 200-kN-Laufkran zwischen C–E; Dachträger bolzengelenkig an die Stützen angeschlossen, Geschossträger momentenübertragend; unterschiedliche R–D im unteren Gebäudeteil) wurde in StatiCAD aufgebaut.

GrößeBuchStatiCADBewertung
SDS / SD11,384 / 0,4771,3836 / 0,477Deckungsgleich
Tp im Ersatzkraftverfahren0,787 s0,787 sDeckungsgleich
Gesamtmasse3243 t3165 t−2,4 % (Modelldetail)
Anteile der Geschosskräfte0,576 / 0,4240,576 / 0,424Deckungsgleich
ν, (R̄a)unten, D̄untenAbschnitt 4.3Abschnitt 4.3Deckungsgleich
Relative Verschiebung Geschoss 1 (Y)0,0110,0109Deckungsgleich
Auflagermoment des Geschossträgers (Achse B)−988 kNm−1021 kNm+3 %
Dominante Periode Tx / Ty (modal)1,107 / 1,042 s0,806 / 0,830 s (starres Dach)Siehe unten
info

Periodendifferenz: Das Buch gibt die dominanten Perioden in einer einzigen Eigenform an; im Modell des Buchs ist das Dach über die Ersatzdiagonalen nach Anhang 8B halbstarr. Bei der Annahme eines starren Dachs in StatiCAD schwingen die Rahmen mit Zwischengeschoss und die Reihe der Kragstützen wie getrennte Teilsysteme. Als dasselbe Modell unabhängig in SAP2000 v27 aufgebaut wurde, wurden die StatiCAD-Perioden innerhalb von 1 % reproduziert (Abschnitt 6). Die Differenz stammt also nicht aus der Finite-Elemente-Lösung, sondern aus der Idealisierung von Dachscheibe und Rahmen.

6. Unabhängiger Finite-Elemente-Vergleich mit SAP2000 v27​

Das vom Programm aufgebaute Finite-Elemente-Modell (Knoten, Stäbe, wirksame Querschnittsfaktoren, Gelenke, starre Enden, Geschossmassen) wurde in SAP2000 mit denselben Annahmen neu aufgebaut; zusätzlich zur Modalanalyse wurde die reduzierte Steifigkeitsmatrix durch Einheitslasten an den Geschossknoten Term für Term verglichen.

ModellGrößeStatiCADSAP2000Differenz
Quadrat 3×3 Achsen, 2 GeschosseTx / Ty0,6192 / 0,6192 s0,6240 / 0,6240 s0,8 %
Rechteck 5×2 Achsen, 2 GeschosseTx / Ty0,5677 / 0,6362 s0,5677 / 0,6316 s0,0 % / 0,7 %
Buchgebäude, ohne DiagonalenTx / Ty0,8135 / 0,8965 s0,8194 / 0,9005 s0,7 % / 0,4 %
Buchgebäude, mit Diagonalen nach Anhang 8B und PfettenTx / Ty0,8314 / 0,9166 s0,8383 / 0,9209 s0,8 % / 0,5 %

Die Diagonalterme der reduzierten Steifigkeitsmatrix stimmten innerhalb von 2,5 % überein, die Massenmatrizen erwiesen sich als identisch. Auch bei den Ableitungen des Buchgebäudes, aus denen Dachträger, Kranbahnträger oder Rinnen entfernt wurden, stimmen die beiden Programme innerhalb von 1 % überein.

7. Gesamtbewertung​

tipp
  • Das Element mit veränderlichem Querschnitt und die Precast-Querschnitte wurden anhand geschlossener Lösungen und mit SAP2000 validiert.
  • Die Berechnungen zu Anhang 8B, Laufkran, unterschiedlichen R–D, Anschlüssen, Fassadenpaneel und Gleiten im Fundament stimmen mit den Zahlenbeispielen des Buchs exakt überein, außer an den Stellen, an denen das Programm die Norm auf der sicheren Seite anwendet.
  • Die Finite-Elemente-Lösung stimmt bei den Perioden mit dem unabhängig in SAP2000 v27 aufgebauten Modell innerhalb von 1 % überein.
hinweis

Es ist unerlässlich, dass alle mit der Software erzeugten Ergebnisse vom verantwortlichen Ingenieur geprüft werden.