Implementierung der Compatible Stress
Field Method in ANSYS Mechanical APDL
Autor: Simone Lucini
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Spannungsfelder und Fachwerkmodelle sind eine häufig eingesetzte Methode für die Bemessung von Diskontinuitätsbereichen in Stahlbetonkonstruktionen, in welchen die Voraussetzung eines eben bleiben des Querschnittes nicht mehr erfüllt ist. Softwarepakete wie Idea StatiCa Detail, die auf der „Compatible Stress Field Method“ (CSFM) basieren, sind ein effizientes Werkzeug für den Entwurf und die Bewertung solcher Diskontinuitätsbereiche. Grundlegende Annahmen des CSFM ist, dass die Hauptrichtungen der Spannungen und Dehnungen zusammenfallen, womit das Tragverhalten in jeder Richtung durch einachsige Spannungs-Dehnungsbeziehungen beschrieben werden kann. Dies ermöglicht eine ingenieurmässige Interpretation der Resultate und macht die Methode für die Baupraxis geeignet.
Im Rahmen der Masterthesis wird das CSFM in ANSYS Mechanical APDL als benutzerdefiniertes Material (CSFM-USERMAT) implementiert; einschliesslich der Programmierung der Werkstoffgesetzte und der Verifizierung des Codes durch den Vergleich mit den Resultaten aus der Software Idea Statica Detail.
Die Implementierung und Validierung des CSFM in ANSYS erfolgte in zwei Phasen. In der ersten Phase wurden die Elemente in ANSYS identifiziert, die für die Umsetzung der Werkstoffbeziehungen Beziehung des CSFM geeignet sind, wobei der Schwerpunkt auf dem diskreten Bewehrungselement REINF264 lag. In der zweiten Phase wurde das benutzerdefinierte Material anhand dem Vergleich der Resultate aus ANSYS mit einfachen Handrechnungen und Gleichgewichtsüberlegungen. Zudem wurden die berechneten Last-Verformungskurven mit den entsprechenden Ergebnissen aus der Software Idea Staica Detail verglichen.
Die Implementierung des CSFM in ANSYS MAPDL bietet zudem einen gemischten Modellierungsansatz, einschließlich der Verwendung diskreter und verschmierter Bewehrungselemen-ten. Dazu wurde das vorhandene CMM-USERMAT (welches im Wesentlichen auf dem gerissenen Scheibenmodell für eben beanspruchte Stahlbetonbauteile basiert) dem Basiselement und das CSFM-USERMAT den diskreten Bewehrungsstäben mit einem eindimensionalen Spannungszustand zugeordnet. Diese Methode wird in ANSYS auf Schalen- und Volumenkörperelemente angewendet, während sie in der Software Idea StatiCa auf ebene Elemente angewendet wird.
Der Vergleich zwischen der Analyse mithilfe des CSFM in ANSYS APDL und der Software Idea StatiCa Detail zeigte bezüglich Spannungsverteilung und Last-Verformungsverhalten eine sehr gute Übereinstimmung. Darüber hinaus stimmte die Versagensarten in den einzelnen Bewehrungsstäben gut mit den Vorhersagen aus Idea StatiCa Detail überein.
