Vakwerkstaven en IDEA StatiCa

Achtergrond en overwegingen

Welkom bij mijn zesde blogpost! Zoals inmiddels traditie is geworden, breng ik graag een persoonlijk tintje mee. Hoeveel van ons kunnen zich nog herinneren wanneer ze hun eerste vakwerk analyseerden? Voor mij was ik 18 jaar oud en zat ik in mijn tweede jaar van de zesde klas, waar ik studeerde voor A Levels. Het vak was Technisch Tekenen en de methode was Bow's Notatie.

Hoeveel (oudere) ingenieurs herinneren zich dat nog? Een paar jaar later was een vakwerk het eerste constructieve systeem dat ik op de universiteit maakte – weliswaar samen met drie andere teamleden. Dit werd gezaagd, geboord, gebouten en tot bezwijken getest – wat niet al te lang duurde, moet ik zeggen!

Vakwerken komen uiteraard in vele vormen en maten voor en zijn gemaakt van zo veel verschillende materialen dat het moeilijk te tellen is – herinnert u zich nog constructies van rietjes? De gemeenschappelijke noemer is echter altijd de verbindingen geweest – niet alleen hoe ze behandeld moeten worden, maar ook hoe ze ontworpen moeten worden. Voor hun afmetingen bieden ze uitzonderlijke draagvermogens, wat een van de redenen is waarom ze een 'standaardoplossing' zijn voor lastige situaties!

Ik heb altijd een liefde voor hout gehad – mogelijk omdat ik een fervent liefhebber ben van historische gebouwen en bouw. Hout was het eerste constructieve materiaal dat werd gebruikt voor vakwerken. Houten vakwerken dateren terug tot 2500 v.Chr. De oude Grieken gebruikten ze in hun daken en ze kwamen veelvuldig voor in de middeleeuwse architectuur.

Veel van de oude tiendeschuren werden gebouwd met deze methoden. De verbindingen werden gevormd binnen de houten staven met behulp van traditionele pen-en-gatverbindingen met houten pennen of vergelijkbare technieken. De gereedschappen waarover de ambachtslieden van vroeger beschikten waren enigszins beperkt, wat resulteerde in driedimensionale kunstwerken in plaats van iets dat alleen bedoeld was om wind en regen buiten te houden.

Houten vakwerken zijn altijd gebruikt in woningbouw, van middeleeuwse herenhuizen tot moderne woningen. Wat drastisch is veranderd, zijn de methoden en vormen die worden gebruikt. De moderne dakspanten van vandaag met hun slanke staven en engineered verbindingsplaten staan ver af van de bovenstaande afbeelding.

Bij het bekijken van de evolutie van stalen vakwerken moet men eerst kijken naar ijzer, zowel gietijzer als smeedijzer, en de rol ervan. De sector die grotendeels verantwoordelijk is voor deze ontwikkeling is transport – denk aan de spoorwegen (over de hele wereld).

Er zijn vele fraaie voorbeelden verspreid over de hele wereld:

Brunels lenticulaire vakwerk – Royal Albert Bridge - IJzer

De Firth of Forth-spoorbrug - Staal

Nu bruggen de weg wezen in slim en elegant ontwerp, wie zou vanuit bouwkundig perspectief de handschoen oppakken? In 1889 werd de 'IJzeren Dame' gebouwd in Parijs (ook bekend als de Eiffeltoren). Hoewel gebouwd van smeedijzer, is het misschien wel een van de meest iconische gebouwen ter wereld die vakwerken en vakwerkwerking toepassen.

Moderne constructies maken steeds meer gebruik van vakwerken om bijzondere omstandigheden of grote overspanningen te overbruggen. Er zijn verschillende typen vakwerken, sommige met speciale namen:

• boogvakwerk
• waaierligger
• fink-vakwerk
• gambrel-vakwerk
• howe-vakwerk
• koningsstijlspant
• koninginnenstijlspant
• Vierendeel-ligger (een vorm van vakwerk)
• Warren-vakwerk
• etc.

Constructieve analyse, ontwerpmethoden en materialen zijn veranderd, maar de ene constante factor bij moeilijk verbindingsontwerp blijft bestaan. Het correct kunnen beoordelen van de belastingseisen op een vakwerk (en elke constructie voor die zaak) is van het grootste belang. Zo veel vakwerken zijn geworteld in geometrie, dus het is belangrijk dat geometrie ook wordt erkend als een belangrijke, soms architectonische, factor.

Wat heeft IDEA StatiCa te bieden?

De staven zelf (in een stalen vakwerk) zijn vaak slank en worden daardoor blootgesteld aan aanvullende effecten die een ontwerper ertoe kunnen brengen hogere vormen van analyse te overwegen. Een softwareoplossing die al deze vereisten kan combineren met gebruiksvriendelijke functionaliteit is absoluut essentieel in de huidige wereld van constructief ontwerp.

Gelukkig is er IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection kan de complexe vakwerkverbindingen van vandaag veilig en efficiënt ontwerpen – er zijn ook geavanceerde houtverbindingen (met platen). Het kan het analytisch model gebruiken van verschillende EEM-oplossingen via een applicatie genaamd IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot vormt de koppeling tussen de EEM en IDEA StatiCa Connection. Als de ontwerper zich zorgen maakt over de staven binnen het vakwerk, dan hebben we IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot kan ook worden gebruikt om deze oplossing aan te sturen.

Waar past IDEA StatiCa in? Beschouw een eenvoudig, maar essentieel voorbeeld:

Dit zijn mogelijk de meest onderschatte constructies op onze wegennetwerken van vandaag. Ze worden blootgesteld aan alle gebruikelijke belastingtypen: eigen gewicht, veranderlijke belasting, wind, sneeuw en ijs. Dan zijn er ook de dynamische belastingen die mogelijk in overweging moeten worden genomen. Dit alles in een poging iets te ontwerpen dat efficiënt gefabriceerd en snel gemonteerd kan worden.

Dit voorbeeld is vereenvoudigd omdat we ons willen richten op de interactie met de IDEA StatiCa-oplossing.

Stap 1 – Eindige Elementen Analyse

De constructie werd gemodelleerd, geanalyseerd en ontworpen in een geschikte eindige elementen analyse (EEA) applicatie – in dit geval Autodesk Robot Structural Analysis. Raadpleeg onze website voor een volledige lijst van ondersteunde applicaties.

De IDEA StatiCa Checkbot-invoegtoepassing werd gestart vanuit Robot. De installatie van de meeste van deze zogenaamde invoegtoepassingen voor de andere ondersteunde applicaties verloopt automatisch om het gebruik ervan nog sneller en eenvoudiger te maken.

Stap 2 – Exporteren naar Checkbot

Staven en verbindingen worden geselecteerd in Robot en geëxporteerd naar Checkbot. Als er wijzigingen optreden, kan het Checkbot-model ook worden gesynchroniseerd met de EEM. De externe belastingen die zijn ingevoerd in het EEM-model worden gebruikt voor de globale analyse en de interne reacties – normaalkrachten, afschuivingen en momenten – worden overgedragen naar Checkbot. Eenmaal in Checkbot zijn ze beschikbaar voor zowel Connection als Member.

In Checkbot kunt u ook de belastingseffecten visualiseren.

Staven in IDEA StatiCa Checkbot kunnen ook worden samengevoegd – zodat doorlopende staven die zijn opgebouwd uit kortere lengtes kunnen worden samengevoegd voor een verbindingsontwerp. In dit voorbeeld zijn de onderflensleden op deze manier aangepast. Omgekeerd is de bovenflens niet aangepast omdat er bij de verbinding geen noodzaak toe is. Dit is zeer handig bij het gebruik van EEM-applicaties die doorlopende staven op deze manier moeten modelleren.

Stap 3 – Ontwerp en normtoetsing van de verbindingen

Verbindingen kunnen worden ontworpen en getoetst met IDEA StatiCa Connection en staven kunnen worden getoetst in IDEA StatiCa Member. De positionering van staven is altijd een compromis geweest tussen het analytisch model en de werkelijkheid. Staven kunnen tijdens de fabricage worden verschoven om het lassen te vergemakkelijken – dit kan vaak leiden tot problemen binnen het analytisch model. In IDEA StatiCa kunnen we excentriciteiten aanpassen om rekening te houden met deze afwijking.

Binnen de Connection-oplossing moet u er rekening mee houden het analysemodel te volgen bij het bekijken van het Modeltype. Als u enkelboutsverbindingen wilt gebruiken in een traditionele schetsplaat, dan moet u het Modeltype dienovereenkomstig wijzigen – naar N,Vy,Vx – een type dat geen momenten toelaat. Als uw verbinding (zoals in dit voorbeeld) echter een moment kan opnemen, kan deze stap worden overgeslagen.

Het werken met de werkelijke ontwerplastcombinaties is essentieel om een veilig en efficiënt verbindingsmodel en normtoetsing te bereiken. Met vier eenvoudige bewerkingen om een volledig gelaste verbinding te maken, kunnen we zien dat alle kritieke belastingseffecten (onze ontwerpcombinaties) achtereenvolgens zijn getoetst en allemaal voldoen.

Stap 4 – Normtoetsing van staven

De tweede verbinding kan op vergelijkbare wijze worden ontworpen voordat de diagonaal wordt bekeken in IDEA StatiCa Member.

Wat dit echter aantoont, is dat er ruimschoots mogelijkheden zijn om verdere materiaal- en verbindingsefficiënties te onderzoeken, aangezien veel vakwerkstaven overgedimensioneerd zijn om dit gebrek aan geavanceerde analyse te compenseren.

Slotgedachten

Vakwerken zijn een essentieel onderdeel van de constructieve engineering en het gebruik ervan zal alleen maar avontuurlijker worden. Vooruitgang in materialen en bouwmethoden zal betekenen dat er de komende jaren nieuwe ontwerpen en concepten zullen ontstaan – daar ben ik zeker van. Wat ik zie in de benadering van IDEA StatiCa als gegevensopslag is het beste van twee werelden: we kunnen experts op het gebied van de EEM hun gang laten gaan en wereldklasse-oplossingen laten ontwikkelen, terwijl wij koppelen aan hun resultaten en model om de verbindingsmodellen en staaftoetsingen te maken – een vakgebied waarin wij tot de besten behoren!

Ik hoop dat u genoten heeft van deze uitstap in de wereld van vakwerken en hoe wij bij IDEA StatiCa u op verschillende manieren kunnen helpen. Houd een gerelateerd artikel over diagonalen in de gaten dat binnenkort verschijnt.