Bereik het onmogelijke, specifiek in het ontwerp van verankering

Men zou kunnen zeggen: "Ontwerp gewoon wat de norm ons expliciet toestaat." Maar laten we de realiteit onder ogen zien: zo werkt het simpelweg niet, of het nu gaat om krappe ruimtes of technische en architectonische eisen. En zo kan verankering die als "op de rand" kan worden beschouwd (figuurlijk) – of beter gezegd, specifieke typen verankering – overal om ons heen worden gezien. Veel gevallen worden nauwkeurig berekend en geverifieerd met meer geavanceerde methoden (ook al heeft dit soms buitensporig veel tijd gekost). Echter, veel gevallen zijn waarschijnlijk niet zo grondig beoordeeld als ze verdienen. 

IDEA StatiCa verandert en stuwt al enige tijd het ontwerp van staalverbindingen, stalen en betonnen stavven en betondetails vooruit. Het gaat niet om vereenvoudiging van de workflow door gecomputeriseerde berekening, maar vooral om de innovatieve methoden die ons in staat stellen het voorheen ondenkbare te ontwerpen. Onze nieuwste prestatie, de release van IDEA StatiCa Detail for 3D, vergroot de ontwerpmogelijkheden opnieuw verder dan voorheen.

Of u nu behoort tot de groep die dagenlang worstelt met verankeringsontwerpen of uitsluitend vertrouwt op ervaring maar dan niet goed slaapt, lees verder.

Deuren naar nieuwe mogelijkheden

Als u betrokken bent bij het verankeren van constructies, kunt u waarschijnlijk aan verschillende gevallen denken die u veel moeite hebben gekost. Hier zijn een paar voorbeelden die we onlangs hebben geïdentificeerd als zeer moeilijk te ontwerpen met alleen standaardpraktijken. Maar met behulp van onze tools IDEA Statica Connection en Detail wordt het mogelijk om in een relatief redelijke hoeveelheid tijd te ontwerpen.

Figuur 1: Meervoudige verankering in één betonblok

• Verankering nabij de rand – Verankering dicht bij de rand is bijna onmogelijk te ontwerpen zonder wapening vanwege de manier waarop beton bezwijkt (kegelbreuk en andere). Het beoordelen van verankering in gewapend beton is op zichzelf al arbeidsintensief – zie dit artikel voor meer details: U hoeft niet langer te worstelen met verankeringsontwerp. Detail (3D-modus) is echter specifiek ontworpen voor dergelijke gevallen – gewapend beton. Door wapening toe te voegen, kunnen we bezwijkmechanismen voorkomen die anders zouden optreden in ongewapend beton. Tegelijkertijd maakt het gebruik van een geavanceerde EE-methode (3D CSFM) en de implementatie ervan in Detail een zeer complexe taak relatief eenvoudig.

Figuur 2: Voorbeelden van verankering nabij een rand in Connection (inclusief stalen stavven) en in Detail (inclusief wapening)

• Meervoudige verankering dicht bij elkaar – Het probleem met dichte verankering is dat de kegels met elkaar wisselwerken. Geen enkele richtlijn kan ons direct adviseren hoe deze gevallen te beoordelen. In de gangbare literatuur, of het nu EN of de fib-richtlijn is, vinden we min of meer alleen voorwaarden en beperkingen die we conservatief kunnen beschouwen. Ze adviseren eenvoudigweg afstanden te gebruiken die ons in staat stellen kegels afzonderlijk te beoordelen. Maar zodra we niet aan deze voorwaarden voldoen, zitten we vast. In Detail echter, omdat we een geavanceerde op EE gebaseerde methode hebben, kunnen we het complexe gedrag analyseren.

Figuur 3: Meervoudige verankering in één wand

• Meervoudige verankering in het algemeen (brugondersteuning op een gemeenschappelijke fundering) – Een typische situatie veroorzaakt door windbelasting, waarbij één kolom van een vakwerkondersteuning wordt belast door trek en de andere door druk. Er is een onderlinge wisselwerking tussen de betonkegel van de groep trekankersen de drukbelasting van de andere kolom. Voor een dergelijk geval biedt Eurocode geen bevredigende analytische oplossing, niet alleen omdat het inherent noodzakelijk is om de betonfundering te wapenen, zodat meer geavanceerde analyse zoals Detail en zijn 3D CSFM moet worden gebruikt.

Figuur 4: Verankering van een leidingbrug, ontworpen door FEVIA s.r.o

• Beschouwing van bestaande wapening bij renovaties – Renovaties of uitbreidingen kunnen een ander interessant voorbeeld zijn van het gebruik van verankering in Detail, waarbij idealiter de bestaande wapening wordt meegenomen. 

Problemen die zich voordoen

Samengevat:

Eurocode specificeert bezwijkmechanismen voor zowel trek als afschuiving voor ankers en beton:

Figuur 5: Schema van bezwijkmechanismen – Design of Steel-to-Concrete Joints Design Manual II

EN 1992-4 is specifiek gewijd aan de gedetailleerde beoordeling van ongewapend beton. De meeste van deze betonbezwijkvormen kunnen worden voorkomen door wapening toe te voegen, wat in sommige gevallen zelfs noodzakelijk is (zie bovenstaande voorbeelden). De norm geeft ons echter geen duidelijke richtlijnen meer over hoe hiermee om te gaan.

Een ander probleem doet zich voor wanneer betonkegels met elkaar wisselwerken – Eurocode en andere literatuur (fib bulletin 58) geven alleen voorwaarden voor wanneer en hoe deze kegels afzonderlijk kunnen worden gecontroleerd.

Figuur 6: CEB-FIB: Bulletin 58 – Design of anchorages in concrete (2011), hfdst. 1.2

We kennen de problemen die zich kunnen voordoen tijdens het ontwerp, maar wat te doen? Opgeven of...

...een oplossing vinden.

De oplossing 

Detail kan de bovenstaande gevallen zeer efficiënt oplossen. Het maakt de beoordeling mogelijk van de invloed van wapening op de belastingscapaciteit en maakt ook de beoordeling mogelijk van gevallen die niet door de norm worden gedekt. In combinatie met Connection is het dan mogelijk om uitgebreide normtoetsingen te verkrijgen voor alle typen bezwijkvormen. 

Er is al veel geschreven over beide applicaties, maar het kan zeker geen kwaad om een korte vergelijking en enkele bronnen toe te voegen voor een dieper begrip van de methoden:

• IDEA StatiCa Connection – gericht op het beoordelen van staalverbindingen, inclusief verankering in beton. De ankers worden beoordeeld volgens empirische formules in overeenstemming met de norm. Het betonblok wordt gemodelleerd met het "Winkler"-schema, zodat de mogelijke beoordeling alleen geldt voor ongewapend beton.
• IDEA StatiCa Detail – Het model in Detail is opgebouwd uit eindige elementen, inclusief de wapening. Vanwege de basisaanname dat alle trek wordt overgedragen door de wapening (in beton wordt de trek verwaarloosd), is de oplossing alleen geschikt voor gewapend beton. Met behulp van 3D CSFM verkrijgen we de spanningen van beton en wapening/ankers, die worden geëvalueerd met grenswaarden uit Eurocode. Daarnaast krijgen we een realistisch beeld van het gedrag van de constructie, zoals spanningsstromen en vervormingen. De 3D CSFM-methode omvat de effecten van drieassige spanning. 

Figuur 4: Vergelijking tussen Connection en Detail (invoer en modellen)

Zoals gezegd is een combinatie van beide nodig voor een volledige beoordeling. Voor efficiënt werken is een import van Connection naar Detail mogelijk, inclusief aanvullende parameters en belastingen. 

Om de methode te begrijpen, kunt u doorgaan naar de Theoretische Achtergrond. Om de functionaliteiten bij te houden, gaat u naar de Release Notes. 

Wat gaat u doen?

3D Detail (met CSFM) vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts, waardoor het ontwerp van complexere gevallen met vertrouwen mogelijk wordt. Hoewel sommigen zich misschien ongemakkelijk voelen bij deze ontwikkeling, stellen de technologieën waarover we beschikken ons in staat meer te bereiken dan ooit tevoren – dus waarom niet hun potentieel omarmen? Vooruitgang is zowel natuurlijk als onvermijdelijk.

Bij IDEA StatiCa zien we verankering als slechts het begin. Het is het eerste geval dat we volledig hebben geverifieerd, en we zijn vastbesloten onze focus in de toekomst uit te breiden naar andere uitdagingen.

De vraag is: Past u zich aan aan deze ontwikkelingen, of verzet u zich tegen verandering?