Staalverbindingen ontwerpen tijdens de Connection Workshop in België

Onlangs organiseerden we in samenwerking met InfoSteel een Connection Workshop in België waar precies dit centraal stond.

Verdeeld over drie teams bogen de deelnemers zich over twee uitdagende ontwerpvraagstukken. Elk team kreeg de opdracht een staalverbinding te ontwerpen met aandacht voor zowel sterkte en stijfheid als uitvoerbaarheid. Door de aanwezigheid van junior en senior profielen werd er van elkaar geleerd en was het bovendien een uitstekende gelegenheid om concullega’s te ontmoeten en bij te praten.

Ervaren constructeur Stijn Jespers was aanwezig om de ontwerpen te beoordelen en de teams te ondersteunen bij hun ontwerpkeuzes. Tijdens het proces konden we vanuit IDEA StatiCa de verbindingen direct modelleren. Hierdoor kregen de ingenieurs meteen inzicht in het 3D-model en de resultaten, die we vervolgens gezamenlijk konden analyseren en bespreken.

Benieuwd naar de verschillende ontwerpkeuzes van de teams? We lichten de resultaten hieronder toe, te beginnen met opdracht 1.

Knoop 1 - Momentvast

In de eerste opdracht bekijken we een knoop waarin drie HEA300 liggers samenkomen op een HEB300 kolom. De uitdaging zat hem in de drie HEA300 liggers die allemaal momentvast moesten worden aangesloten. Met aanzienlijke dwarskrachten en buigende momenten op de liggers, was dit een serieuze test voor zowel de sterkte als de stijfheid van de verbinding.

Een aantal ontwerpoverwegingen kwam naar voren tijdens de discussies. Allereerst was er de overweging om de kolom door te laten lopen of juist de liggers M1 en M2 als doorgaande ligger uit te voeren. Dit verschil zien we ook terug in het ontwerp van groep 1 en 2 ten opzichte van groep 3.

Groep 3 koos mede voor deze oplossing om drie identieke verbindingen te realiseren, wat de productie bevordert en de foutgevoeligheid vermindert, zeker wanneer meerdere van dit soort knopen voorkomen in het project. Hieronder worden de resultaten van de CBFEM-berekening weergegeven. Alle drie de ontwerpen voldoen aan de normtoetsingen. De afmetingen van de plaatdiktes, lassen en consoles kunnen nog verder geoptimaliseerd worden.

Tijdens het ontwerpproces werd door een ervaren ingenieur opgemerkt dat bij het doorlopen van de ligger rekening moet worden gehouden met de toleranties van de staalprofielen. Als de kolom net iets breder is dan de ligger (of andersom), ontstaat er een verspringing. Hierdoor kan de kopplaat niet vlak worden gemonteerd, of kunnen de lassen niet correct worden gelegd.

Een ander belangrijk aandachtspunt bij het doorgaand leggen van de ligger is of de buigende momenten op M1 en M2 altijd gelijktijdig optreden. Indien dit niet het geval is, kan een doorgaande kolom een constructief zuiverdere oplossing zijn en onvoorziene spanningen in de knoop voorkomen. Een doorgaande ligger over een kolom is alleen optimaal als de krachten (M1 en M2) altijd gelijktijdig aanwezig zijn.

Verder was het een uitdaging om de verbindingen momentvast te maken, vooral voor ligger L, omdat deze wordt verbonden in de zwakke richting van de kolom. In deze situatie is een console noodzakelijk, wat op zijn beurt verstijvers in de kolom vereist om een goede krachtsinleiding te waarborgen. Deze verstijvers beïnvloeden echter de maakbaarheid van de verbinding: wanneer ze zowel ter hoogte van de boven- als onderflens worden toegepast, wordt het monteren van de bouten op de bouwplaats onmogelijk.

Met IDEA StatiCa Connection kan de ingenieur de stijfheid van een verbinding analyseren. Voor de staalverbinding van groep 3 is zo’n analyse uitgevoerd om te verifiëren of de verbinding als stijf kan worden geclassificeerd. Het moment-rotatie diagram is opgesteld voor deze kolom-liggerverbinding en uit de resultaten hieronder blijkt dat de verbinding als stijf (Rigid) wordt geclassificeerd.

Onderaan de pagina kunnen de ontwerpen worden gedownload als IDEA StatiCa Connection bestand.

Knoop 2 - Onder een hoek

In de tweede opdracht bekijken we een knoop waarin vier staven samenkomen onder een hoek van 30 graden. De liggers HEB240 worden belast op axiale druk, buiging en afschuiving, terwijl de randstaven, uitgevoerd in RHS120/80/8 of IPE120, axiale trek- of drukkrachten opnemen.

De hoek tussen de staven zorgt voor een “vol” knooppunt. Op het eerste gezicht lijken de ontwerpen van de drie groepen sterk op elkaar, maar elk kiest net een andere aanpak om de krachten efficiënt over te dragen.

Alle groepen hebben gekozen voor een effectieve aansluiting, waarbij de liggers met een kopplaat worden verbonden en de randstaven via een lipverbinding aan de kopplaten worden bevestigd. Hiermee wordt extra plaatwerk voorkomen en ontstaat een overzichtelijke knoop die op de bouwplaats relatief probleemloos kan worden gemonteerd. 

Hieronder worden de resultaten uit IDEA StatiCa Connection weergegeven. 100% van de belasting wordt overgebracht en alle normtoetsingen voldoen.

Verdere ontwerpoverwegingen die tijdens de discussies naar voren kwamen, zijn de plaatsing van de bouten en de keuze of de kopplaat aan de boven- of onderkant doorloopt. Dit hangt vaak af van de beschikbare ruimte. Constructief gezien kan een extra boutrij boven meer effect hebben, omdat daar trek optreedt. Echter, als het buigend moment in de HEB240-liggers ook in de andere richting kan optreden, is het effect van deze boutrij beperkt. Dit laat zien hoeveel factoren van invloed zijn bij het ontwerpen van een staalverbinding en dat dit niet eenvoudig is om in één rekenvoorbeeld te vangen.

Groepen 2 en 3 kozen voor twee identieke, maar gespiegelde kopplaten. Dit is voordeliger voor de productie, het snij- en laswerk, én de montage. Verder moet men opletten dat doordat de randstaven direct worden verbonden aan de kopplaten, de afschuifkrachten in de bouten misschien niet volledig overeenkomt met je eerste handberekening. In IDEA StatiCa kunnen we de richting van de afschuifkrachten in de bouten zien en constateren dat deze worden beïnvloed door de dwarskracht in de HEB240-liggers én de trekkracht in de randstaven.

Bij het ontwerpen van dergelijke compacte verbindingen is 3D-modellering erg nuttig, omdat je direct kunt controleren of de bouten passen en op de bouwplaats gemonteerd kunnen worden. Zo kan meteen worden besloten of een plaat moet worden verlengd of dat een boutrij moet worden verlegd.

Slotwoord

Het ontwerpen van staalverbindingen hangt van veel factoren af: het doorlopen van liggers of kolommen, de plaatsing van bouten en consoles, de keuze van profielen en hoe krachten efficiënt worden overgedragen. Elke keuze beïnvloedt zowel de maakbaarheid als de constructieve zuiverheid van de verbinding. Met IDEA StatiCa Connection kan je al deze aspecten snel toetsen: stijfheid berekenen, normtoetsingen uitvoeren en controleren of het ontwerp praktisch uitvoerbaar is. Zo krijg je een verbinding die technisch klopt én op de bouwplaats efficiënt kan worden gerealiseerd.