Statikprogramm

Statik3D

Finite-Elemente-Statikprogramm für Stabwerke, Flächentragwerke und Volumenmodelle – mit Desktop-Oberfläche, 3D-Viewport, Lastfällen und Kombinationen nach DIN EN 1990, Kontakt, Nachweisen nach DIN EN 1993-1-1 (Stahlbau, Stabilität) und DIN EN 1993-1-9 (Ermüdung), Import gängiger Formate (u. a. IFC/SAF/Tabellen aus InfoCAD und RFEM), Mehrkernrechnung, Rechnerfarm und statischem Bericht.

Alles in Python (numpy/scipy), verifiziert gegen analytische Lösungen und Handrechnungen (über 270 automatisierte Prüfungen, siehe unten).

Was es kann

Bereich	Umfang
Stabwerke	3D-Balken (12 FHG, Timoshenko-Schub), Fachwerkstäbe, Momentengelenke, Profildatenbank (IPE, HEA, HEB, HEM, SHS, RHS, CHS), Trapez- und Temperaturlasten, Schnittgrößen an Zwischenstellen (DIN 1080)
Flächen	Ebene Schale = CST-Scheibe + DKT-Platte, Dreiecke und Vierecke, Flächenlasten (normal oder gerichtet), Temperatur
Volumen	Tet4, Tet10 (quadratisch), Hex8 mit inkompatiblen Moden, Flächendruck, Temperatur
Lastfälle	Einwirkungskategorien mit ψ-Beiwerten (DIN EN 1990/NA), Ausschlussgruppen, Eigengewicht je Lastfall
Kombinationen	automatisch GZT 6.10 / 6.10a+b, außergewöhnlich 6.11b, GZG charakteristisch/häufig/quasi-ständig; manuell; Superposition mit einer Faktorisierung; Umhüllende mit maßgebender Kombination
Lager	je Freiheitsgrad starr/Feder/frei mit Ausfall bei Zug oder Druck, Schlupf, Reibbeiwert und Grenzkraft; Linienlager (Steifigkeit je m) und Flächenlager/Bettung (je m²); Stabendgelenke gelenkig oder als Drehfeder
Kontakt	einseitige Lager (nur Druck, Bettung), Spaltelemente Knoten–Knoten, Kontaktpaare Knoten–Fläche (Schalen/Volumen) mit Coulomb-Reibung; Penalty-Verfahren mit Aktivmengen-Iteration
Querschnitte	Profildatenbank nach Land: Europa (IPE, HEA/B/M, UPN, UPE, Winkel, SHS/RHS/CHS), Großbritannien (UB, UC, PFC), USA (W, C, HSS, Pipe) – 442 Profile; zusammengesetzte Querschnitte mit Versatz, Drehung, Spiegelung
Nachweise EC3	Klassifizierung (Tab. 5.2, wirksame Querschnitte Kl. 4), Querschnittsnachweise 6.2 (N, V, M, M+V, M+N, Torsion, σv), Wölbkrafttorsion (Bimoment B, σ_w, τ_w bei I- und U-Profilen), Biegeknicken, Drillknicken, Biegedrillknicken (Mcr, C1 automatisch), Interaktion 6.3.3 Anhang B
Ermüdung	EN 1993-1-9: Kerbfälle, Wöhlerlinien (m = 3/5, Dauerfestigkeit, Schwellenwert), Palmgren-Miner, γMf nach Schadensfolge
Analysen	Lineare Statik, Modalanalyse, lineares Knicken (Lastfall oder Kombination als Grundzustand)
Import	RFEM/RSTAB-Projektdateien (.rf5/.rf6/.rs5/.rs6/.rs8/.rs9 – Behälter wird untersucht und gelesen, soweit zugänglich), Statik3D-JSON, DXF, IFC (Statikmodell: InfoCAD, RFEM, Allplan …), SAF (.xlsx: RFEM 6, SCIA …), RFEM/RSTAB-Tabellenexport (.xlsx/.csv), Abaqus/CalculiX .inp, Nastran .bdf, STEP/IGES/BREP/STL über gmsh
Parallel	Elementschleifen und Aufträge auf mehreren Kernen; Rechnerfarm (Server/Worker/Client) über das Netz; optional MKL-Pardiso-Löser
Dokumentation	Statischer Bericht (HTML druckbar, PDF, Markdown) mit Systemgrafiken, Schnittgrößenverläufen, allen Nachweiswerten; Benutzer-, Theorie-, Schnittstellen- und Farm-Handbuch in `docs/`
Export	JSON-Modell, CSV, VTU (ParaView)
Handy / Browser	Web-Server (`python run_web.py`) mit mobiler Oberfläche: 3D-Ansicht per Touch, Eingabe, Berechnung, Ergebnisse, Nachweise, Bericht; auch aus der Desktop-GUI startbar (gemeinsames Modell)

Einheiten durchgängig SI: m, N, Pa, kg/m³.

Windows-Programm (exe)

Download, immer die neueste Version: https://github.com/Alex1977-code/Statikprogramm/releases/latest/download/Statik3D.exe

Eine einzelne Datei, keine Installation, kein Python nötig. Beim ersten Start meldet Windows SmartScreen ein unbekanntes Programm: „Weitere Informationen“ → „Trotzdem ausführen“ (das Programm ist nicht signiert). Der erste Start dauert einige Sekunden, weil sich die exe entpackt. Unten rechts im Fenster sitzt der Knopf Update suchen: Er fragt GitHub nach dem neuesten Stand, lädt die neue exe herunter, tauscht sie aus und startet Statik3D neu. Die exe wird von GitHub Actions bei jedem Stand von main automatisch gebaut (.github/workflows/windows-exe.yml) und als Release „latest“ veröffentlicht.

Windows: Ein-Klick-Start aus dem Quellcode

Python 3.11 oder 3.12 von https://www.python.org/downloads/windows/ installieren („Add python.exe to PATH“ anhaken).
Diese Datei in einen eigenen Ordner (z. B. C:\Statik3D) speichern: https://raw.githubusercontent.com/Alex1977-code/Statikprogramm/main/Statik3D-Windows.bat (im Browser Strg+S bzw. Rechtsklick → „Ziel speichern unter“).
Doppelklick. Die Datei holt bei jedem Start die aktuelle Version von GitHub, richtet einmalig die Python-Umgebung ein und startet die Oberfläche. Statik3D-Windows.bat handy startet stattdessen den Server für Handy und Browser, Statik3D-Windows.bat offline startet ohne Aktualisierung.

Eigene Modelle in den Ordner Projekte neben der Startdatei legen; der Ordner Statikprogramm wird bei jeder Aktualisierung ersetzt. Ohne Startdatei: der Stand von main als ZIP ist immer unter https://github.com/Alex1977-code/Statikprogramm/archive/refs/heads/main.zip.

Installation

pip install -r requirements.txt     # numpy scipy PySide6 pyvista pyvistaqt
pip install gmsh                    # optional: CAD-Import
pip install pypardiso mkl           # optional: Mehrkern-Gleichungslöser (155k FHG: 3 s statt 110 s)
pip install reportlab svglib        # optional: PDF-Bericht direkt aus dem Programm

Unter Linux zusätzlich sudo apt install libglu1-mesa libegl1 (gmsh / Qt).

Windows: Python 3.11/3.12 von python.org („Add to PATH“), dann in PowerShell im Programmordner py -m venv .venv, .venv\Scripts\activate, pip install -r requirements.txt, python run_gui.py. Beim ersten Start von run_web.py den Zugriff in der Windows-Firewall zulassen.

Starten

python run_gui.py                                              # grafische Oberfläche
python run_web.py --schluessel geheim                          # Bedienung im Browser / auf dem Handy
python -m statik3d.cli --beispiel hall --nachweise --ermuedung --bericht halle.html
python -m statik3d.cli modell.json --kerne 8                   # alle Lastfälle + Kombinationen
python -m statik3d.cli --import projekt.ifc --staebe --kombinationen --speichern projekt.json
python -m statik3d.farm server --port 5555 --key geheim        # Rechnerfarm
python -m statik3d.farm worker --host 192.168.1.10 --key geheim

In der GUI: Menü Beispiele → Hallenrahmen laden, F5 – Lastfälle, Kombinationen, Umhüllende, EC3-Nachweise und Ermüdung in einem Lauf; danach Datei → Statischer Bericht.

Auf dem Handy

python run_web.py --schluessel geheim --beispiel hall

Der PC rechnet, das Handy bedient: Der Server nennt die Adresse im Netz (z. B. http://192.168.1.23:8080/), diese im Handy-Browser öffnen, Schlüssel eingeben, optional „Zum Startbildschirm hinzufügen“. Register Modell, Lasten, Rechnen, Ergebnisse, Nachweise und Bericht wie in der Desktop-GUI, 3D-Ansicht mit Touch. In der Desktop-GUI startet Berechnung → Bedienung im Browser / auf dem Handy… denselben Server für das geöffnete Modell. Details: docs/Benutzerhandbuch.md, Kapitel 11.

Arbeitsablauf in der GUI

Modell – Material (Stahlsorte), Querschnitt (Profildatenbank), Schalendicke
Netz – Stabzug, Platte, Quader erzeugen oder Datei importieren
Lager/Lasten – Knoten per Klick oder Koordinatenfenster wählen, Lager setzen, Lasten in den aktiven Lastfall
Lastfälle – Lastfälle mit Kategorie anlegen, Kombinationen automatisch erzeugen, Ermüdungslasten
Kontakt – einseitige Lager, Spaltelemente, Kontaktpaare
Nachweise – Stäbe mit Knicklängen, seitlicher Halterung, Kerbfall
Berechnung – Kerne/Farm wählen, BERECHNEN
Ergebnisse – Umhüllende, Färbung nach Ausnutzung, Schnittgrößenverläufe, Bericht

Ausführlich: docs/Benutzerhandbuch.md.

Zu mehreren am Programm arbeiten: docs/Mitarbeit.md — Schreibrecht vergeben, Zweige, Pull Requests, Prüfungen. Auf main wird nicht unmittelbar gepusht: jeder Push dorthin baut die exe, die alle Installationen beim nächsten Start holen.

Python-API

from statik3d.model import Model, Material, Section
from statik3d import solver, mesher
from statik3d.combinations import generate_combinations

m = Model("Kragarm")
m.add_material(Material.steel("S355"))
m.add_section(Section.from_profile("HEA 200"))
ids = mesher.line_of_beams(m, "S355", "HEA 200", (0, 0, 0), (5, 0, 0), n=10)
m.fix(ids[0], "all")
m.set_gravity(-9.81)                      # LF1 (G)
m.add_load_case("Q", "Q_B", "Nutzlast")
m.load_node(ids[-1], Fz=-20000)
m.add_member("Kragarm", list(range(10)), beta_y=2.0, beta_z=2.0, detail_category=71e6)
m.add_fatigue_load("Lastspiele", "Q", None, 2e6)
generate_combinations(m)

an = solver.solve_all(m, design=True, fatigue=True)
print(an.summary())
print(an.envelopes["ULS"].extreme_table()[:3])
print(an.design.members["Kragarm"].governing)

from statik3d.report import write_report
write_report(m, an, "kragarm.html")

Verifikation

python -m tests.test_verification     # 26 Benchmarks Stab/Schale/Volumen
python -m tests.test_solver_ext       # 49 Prüfungen: Gelenke, Lasten, Kombinationen, Kontakt, Parallel, Farm
python -m tests.test_supports         # 46 Prüfungen: Ausfall, Schlupf, Reibung, Linien-/Flächenlager
python -m tests.test_sections         # 83 Prüfungen: Profildatenbank nach Land, zusammengesetzte Querschnitte
python -m tests.test_rfem             # 38 Prüfungen: RFEM/RSTAB-Import
python -m tests.test_ec3              # 48 Prüfungen: EC3-Handrechnungen
python -m tests.test_importers        # 126 Prüfungen: Import
python -m tests.test_report           # Bericht
python -m tests.test_web              # 91 Prüfungen: Browser-/Handy-Server (API)
xvfb-run -a python -m tests.test_gui_smoke   # Oberfläche (ohne Benutzer)

Benchmark	Abweichung
Kragarm Einzellast / Einspannmoment / Auflagerkraft	0,00 %
Einfeldträger Gleichlast, Feldmoment; Gelenkträger; Dreieckslast (Zwischenstellen)	0,00 %
Torsionsstab, Fachwerk, Temperatur (gehalten/frei)	0,00 %
Eulerknicken Fall 2, 1. Eigenfrequenz Kragarm	0,04 %
Platte 4-seitig gelenkig (Navier)	0,37 % / 0,59 %
Patch-Test Tet4 / Hex8 / Tet10	exakt
Superposition vs. direkte Lösung, seriell vs. parallel	1e-10
Spaltelement: Kontaktkraft F − 3EI s/L³	0,00 %
HEB 200 χz (Knicklinie c), IPE 300 Mcr / χLT, Interaktion 6.61	Handrechnung
Wöhlerlinie N_R, Miner-Schädigung	exakt

Grenzen – bitte lesen

linear-elastisches Material, kleine Verformungen (Theorie II. Ordnung nur als lineares Verzweigungsproblem)
Kontakt als Penalty-Näherung ohne Lastgeschichte (monotone Lasten); kein Kontakt Fläche–Fläche
keine Beulnachweise für Blechfelder (EN 1993-1-5, Hinweis im Nachweis), keine Plastizität, keine Zeitbereichsdynamik
proprietäre Binärformate (.rf5/.rf6/.fem) sind nicht lesbar – Export als IFC-Statikmodell, SAF oder Tabellen

Das Programm ist gegen analytische Lösungen und Handrechnungen verifiziert, aber nicht bauaufsichtlich geprüft. Die Verantwortung für die Anwendung und Prüfung der Nachweise liegt beim Anwender.

Aktualisieren

exe: Knopf „Update suchen“ unten rechts (oder Hilfe → Nach Update suchen…).
Quellinstallation: derselbe Knopf führt git pull aus (Klon) oder lädt main.zip und ersetzt die Programmdateien; danach Neustart. Ebenso in der Handy-Oberfläche unter Mehr → Verbindung / Info → Update suchen.
Statik3D-Windows.bat aktualisiert ohnehin bei jedem Start.

Aufbau

statik3d/
  model.py           Datenmodell: Knoten, Elemente, Lastfälle, Kombinationen, Stäbe, Kontakt
  assemble.py        Assemblierung K, M, Kg, Lastvektoren (parallel), Gelenke
  solver.py          Statik (viele Lastfälle, Superposition, Umhüllende), Kontakt-Iteration, Modal, Knicken
  contact.py         Kontaktbedingungen (Penalty, Aktivmenge, Reibung)
  combinations.py    Kombinationen nach DIN EN 1990
  profiles.py        Profildatenbank
  parallel.py        Prozess-Pool, Auftrags-Registry
  farm.py            Rechnerfarm (Server / Worker / Client)
  jobs.py            registrierte Auftragsarten
  ec3/               Klassifizierung, Querschnitt, Stabilität, Wölbkrafttorsion, Ermüdung
  importers/         DXF, IFC, SAF, RFEM-Tabellen, Abaqus, Nastran, xlsx-Leser
  report/            HTML/PDF/Markdown-Bericht, SVG-Grafiken
  elements/          beam3d, shell, solid
  gui/               PySide6-Oberfläche (main, dialogs, viewport, worker)
  web/               Browser-/Handy-Oberfläche: server.py (HTTP-API), static/ (HTML, CSS, JS)
  update.py          Update von GitHub (exe-Austausch, git pull, ZIP)
  supports.py        Knoten-, Linien- und Flächenlager auf Freiheitsgrade umlegen
  sections.py        zusammengesetzte Querschnitte (Steiner, Hauptachsen)
packaging/           PyInstaller-Rezept, Symbol, Build-Stempel (Windows-exe)
  mesher.py, examples_lib.py, cli.py
docs/                Benutzerhandbuch, Theoriehandbuch, Schnittstellen, Rechnerfarm, Mitarbeit
tests/               Verifikation