Begehbare Säulen: Eine Lösung für strukturelle und architektonische Komplexität

Wenn sich die Grundrisse der Stockwerke ändern, z. B. ein Parkhaus unter einer Lobby oder Büros unter Wohnungen, ist es oft erforderlich, das Stützenraster zu verschieben, um sowohl architektonischen als auch funktionalen Anforderungen gerecht zu werden. In diesem Fall ist eine begehbare Säule eine intelligente, praktische Alternative zu sperrigen Transferbalken oder optisch störenden Schrägstützen.

a) Anordnung der Schrägsäule und b) Anordnung der Transfersäule und des Transferträgers

Eine Schreitstütze ist eine Stütze, die horizontal zwischen den Stockwerken "wandert", so dass sich die Lage der Stütze allmählich und ohne abrupte Lastübertragungen verändern kann. Im Gegensatz zu schrägen oder geneigten Säulen bestehen Wandersäulen aus vertikal gestapelten Segmenten , die in jedem Stockwerk versetzt sind. Dadurch lassen sie sich leichter bauen und in herkömmliche Schalungssysteme integrieren, während gleichzeitig ein relativ direkter Lastpfad beibehalten wird, was ein Schlüsselprinzip für eine effiziente Tragwerksplanung ist.

a) Schreitende Säule in einem realen Gebäude und b) Lastabtragungsmechanismus einer schreitenden Säule (SheerForce Engineering, 2021).

Eine ausführliche Beschreibung der verschiedenen Tragwerkssysteme, einschließlich ihrer Lastabtragungsmethoden und ihrer jeweiligen Vor- und Nachteile, finden Sie auf der folgenden Webseite von SheerForce Engineering.

Auftretende Probleme

Obwohl begehbare Stützen bei bestimmten Tragwerksplänen von Vorteil sein können, stellen sie auch besondere Anforderungen an die Konstruktion, die über den Anwendungsbereich herkömmlicher Normen wie ACI 318 oder Eurocode hinausgehen. Diese Elemente weisen in der Regel ein geringes Verhältnis von Spannweite zu Tiefe auf, das zwischen 1:9 und 1:4 liegt, wodurch sie sich grundlegend von tiefen Trägern unterscheiden. Bei einem Verhältnis von weniger als 1:4 werden im Allgemeinen tiefe Träger bevorzugt, da sie aufgrund ihrer Abstützung auf zwei gegenüberliegenden Seiten einen höheren Widerstand gegen Umkippen aufweisen. Im Gegensatz dazu kann die schlanke Geometrie von Schreitstützen die Bildung diagonaler, strebenartiger Druckfelder verhindern, die für das Verhalten tiefer Träger charakteristisch sind.

Infolgedessen erfordert ihre Bemessung eine sorgfältige Berücksichtigung der Wirkung von Membranstreben, eine komplexe Knotenbewehrung und die Verwendung von mechanikbasierten Ansätzen wie der Streben-und-Binden-Methode (STM). Ob die STM bei allen Seitenverhältnissen, insbesondere bei schlanken Stützen, effektiv und effizient bleibt, muss mit wissenschaftlich orientierten FEM-Tools weiter untersucht werden, um sowohl die strukturelle Sicherheit als auch die Materialoptimierung zu gewährleisten. Die Verwendung solcher Software für die Bemessung von Betonstützen kann jedoch aufgrund ihres iterativen Charakters sehr zeitaufwändig sein...

IDEA StatiCa Detail hilft Ingenieuren, eine Lösung zu finden, die eine ausreichend realistische Analyse auf der Grundlage von Eingabedaten (und nicht nur Schätzungen) bietet, während gleichzeitig die Notwendigkeit vermieden wird, Stunden oder sogar Tage mit der Modellierung zu verbringen. Mit Detail können Sie FEM-Analysen unter Anwendung der CSFM-Methode durchführen und mit den in der Anwendung verfügbaren Elementen modellieren. Damit entfällt die Notwendigkeit, alle Interaktionen zwischen Bewehrung und Beton, Randbedingungen oder Vernetzung manuell zu definieren, da die Software diese Aspekte automatisch behandelt.

Strukturelle Sicherheit vor allem

Bei der Streben- und Biegemethode gehen wir davon aus, wie das Streben- und Biegemodell aussehen wird, und entwerfen dann die einzelnen Komponenten entsprechend. Auch die oben genannten Verhältnisse beruhen in der Regel auf Erfahrungswerten. Was aber, wenn wir eine etwas andere Art von Struktur entwerfen müssen? Können wir zu 100 % sicher sein, dass sich die Struktur immer noch genau so verhält wie angenommen? FEM-Methoden können Ihnen diese Sicherheit geben.

DieOhio State University hat vor kurzem einen Vergleich der Verwendung von SaT, CSFM (über IDEA StatiCa) und FEM (ABAQUS) zur Analyse verschiedener Modelle veröffentlicht, wobei die vergleichende Analyse klare Tendenzen erkennen ließ. ABAQUS sagte durchweg höhere Kapazitäten voraus, was seine Stärke bei der Erfassung von komplexem Materialverhalten und Belastungsbedingungen widerspiegelt. Im Gegensatz dazu lieferten STM und CSFM (mit ϕ-Faktoren) konservativere Schätzungen. CSFM erwies sich als zuverlässiges Werkzeug für die Bewertung von begehbaren Säulen, das wertvolle Einblicke in die Versagensmechanismen und die strukturelle Leistungsfähigkeit bietet. Die vollständige Studie können Sie hier lesen.

Vergleich der Richtung der Hauptspannungen, berechnet mit den Modellen IDEA StatiCa und ABAQUS

Von der Theorie zur Praxis

In der Praxis sind Idealfälle, die den theoretischen Modellen entsprechen, nicht immer verfügbar. Ein wesentlicher Vorteil von IDEA StatiCa Detail(CSFM) ist die Fähigkeit, jede beliebige Geometrie unabhängig von ihrer Komplexität zu modellieren und zu analysieren, was Ingenieuren ein hohes Maß an Flexibilität bietet. Die Ergebnisse umfassen Spannungs- und Dehnungsfelder, Rissbreiten, Lastpfade und Ausnutzungsgrade, die dem Benutzer ein sehr klares Verständnis dessen vermitteln, was in der Struktur geschieht und wie die Last aufgebracht wird. Es ist möglich, diese Bewertungen sowohl nach ACI als auch nach EN vorzunehmen, da die Anwendung Materialbibliotheken und Koeffizienten für beide Codes enthält. Aus den Ergebnissen kann ein vollständiger Bericht erstellt werden, einschließlich des Exports der Materialliste und des Bewehrungslayouts.

Um den Modellierungsprozess, die Ergebnisse und die Anwendung selbst besser zu verstehen, sehen Sie sich das Schritt-für-Schritt-Tutorial oder dieses Webinar* zu diesem Thema an.

*Obwohl sich die Anwendungsoberfläche seit der im Webinar erwähnten Version leicht verändert hat, sind die Methode und die Modellierungsprinzipien dieselben geblieben.

a) Bewehrtes Modell einer begehbaren Säule in IDEA StatiCa, b) Ergebnisse - Betonspannungsfelder, und c) Ergebnisse - Durchbiegung

CSFM ist kein neues Konzept, sondern eine etablierte Methode, die seit mehreren Jahren verwendet wird und sowohl in der akademischen Forschung als auch in realen Anwendungen validiert wurde. Ein bemerkenswertes Beispiel ist IMEG, ein Pionier auf dem Gebiet der begehbaren Säulen, der nun IDEA StatiCa Detail zur Überprüfung von Streben- und Anker-Modellen für kritische Strukturelemente verwendet. Eines der Projekte, bei denen IDEA zur Überprüfung kritischer Details verwendet wurde, ist das Laurel Rittenhouse Square Projekt, das in der Mitte des Bildes unten gezeigt wird.

Beispiele für den Einsatz von begehbaren Stützen - Vancouver House, Laurel Rittenhouse Square, Seminole Hard Rock Hotel und Casino von IMEG

Schlussfolgerung

Schreitende Stützen bieten eine intelligente und praktische Lösung für die Verschiebung von Stützenrastern in komplexen Gebäudelayouts und vermeiden die Notwendigkeit von sperrigen Transferbalken oder optisch störenden Schrägstützen. Ihre einzigartige Geometrie bringt jedoch einige Herausforderungen für den Entwurf mit sich, die von den herkömmlichen Normen nicht vollständig berücksichtigt werden und fortschrittliche Analysemethoden erfordern.

Die kombinierte Anwendung der Strut-and-Tie-Methode (STM) und der FEM, insbesondere durch Werkzeuge wie IDEA StatiCa Detail, bietet Ingenieuren ein zuverlässiges und effizientes Mittel zur Modellierung und Bewertung von Stützen. Mit der Unterstützung von ACI- und EN-Normen, integrierten Materialbibliotheken und umfassenden Berichtsfunktionen ermöglicht IDEA StatiCa Detail den Brückenschlag zwischen theoretischen Konzepten und praktischer Umsetzung.