Verankeren zonder wachttijd - sneller ontwerpen tussen staal en beton

Om te begrijpen waarom dit belangrijk is, kijken we naar de realiteit van het verankeringsontwerp vandaag de dag.

Wanneer voetplaten in de buurt van randen worden geplaatst of worden blootgesteld aan complexe combinaties van trek en afschuiving, wordt het moeilijk om de verankering te controleren volgens ontwerpnormen zoals EN 1992-4. In veel gevallen moet wapening als onderdeel van de controle worden meegenomen. Deze controles worden meestal uitgevoerd door een andere ingenieur - meestal de betonspecialist.

In de praktijk bepaalt de staalontwerper de staalverbinding, de ankerlay-out, de dikte van de voetplaat en de vereiste verstijvers, terwijl de betonontwerper een aparte controle uitvoert van het betonblok en zijn wapening. Naarmate projecten evolueren, zijn veranderingen in de geometrie of in de verdeling van belastingen onvermijdelijk. Elke wijziging leidt tot een nieuwe herontwerpcyclus en een nieuwe communicatieronde tussen de teams - vaak gecompliceerd door inconsistente gegevensuitwisseling, onduidelijke revisies en niet op elkaar afgestemde deadlines van de ontwerpers.

Bovendien beïnvloedt het stijve of flexibele gedrag van de voetplaat de spanning in het beton. En zelfs als de staalontwerper de wapening onafhankelijk wil controleren, zonder te vertrouwen op het betonteam, ontbreekt het hem vaak aan informatie over de extra krachten die het betonelement moet weerstaan, vooral bij verankering in wanden, balken of kolommen.

Om frustrerende vertragingen te voorkomen, ontwerpen ingenieurs deze details vaak te ruim en passen ze conservatieve aannames toe in plaats van het werkelijke gedrag vast te leggen.

Wat als beide partijen verankeringssystemen zouden kunnen ontwerpen en verifiëren binnen dezelfde omgeving - transparant, nauwkeurig en zonder te wachten op elkaars aannames?

Verankering vanuit het perspectief van de staalingenieur

Traditioneel vereist het uitvoeren van een controle van aanvullende wapening een grondige kennis van de Strut-and-Tie methode, vooral voor complexe gevallen. Het vereist ook een intuïtief gevoel voor spanningsverloop binnen beton. Deze kennis komt alleen voort uit jarenlange ervaring, maar met de Compatibele Stress Field Methode (3D CSFM) in IDEA StatiCa Detail wordt het ontwerp intuïtief en gebaseerd op de norm. Als constructeur die zich voornamelijk richt op het ontwerpen van staal, hoef ik geen specialist in gewapend beton te zijn om aanvullende wapening te overwegen.

Door de regels voor het detailleren van wapening te volgen, kan ik een gewapend betonelement voor de verankering controleren zodat:

• de betonklasse (bijv. C30/C37) geschikt is voor het ontwerp,
• het beton de minimale wapening A_s,min bevat,
• er voldoende verankering, dekking en aanhechting is voorzien, en
• de aanvullende wapeningsstaven binnen de aanbevolen grenzen liggen (bijvoorbeeld dat de staven verankerd zijn buiten de betonkegel en geplaatst binnen een afstand < 0,75c₁ van de ankers, enz.)

Eerst controleer ik het stalen deel in IDEA StatiCa Connection en vervolgens exporteer ik het naar IDEA StatiCa Detail.

Zodra ik de wapening in het model introduceer, voert IDEA StatiCa de 3D CSFM-berekening uit, die precies laat zien hoe de wapening bijdraagt aan de capaciteit op basis van de stijfheid van de voetplaat en ervoor zorgt dat het ontwerp aan alle normeisen voldoet.

Dit betekent dat ik een wapeningsvoorstel kan maken dat voldoet aan de norm. Ik kan meteen zien welke wapening nodig is om het ontwerp door de controles te laten komen en beslissen of ik het ontwerp aanpas of afrond. In plaats van te wachten op feedback of te vertrouwen op aannames, kan ik direct controleren of mijn verankeringsontwerp de toegepaste belastingen kan dragen met aanvullende wapening, of dat ik als staalontwerper mijn model verder moet verfijnen.

Met dit in gedachten kan ik de betonontwerper een voorstel doen dat al realistisch gedrag en wapeningsvereisten weergeeft. De betonontwerper bepaalt vervolgens de wapening in de context van de andere belastingen die op de constructie inwerken.

Verankering vanuit het perspectief van de betoningenieur

Als betoningenieur is het mijn taak ervoor te zorgen dat de constructie de belastingen veilig overdraagt van de stalen verbinding naar het beton, zonder dat het beton faalt. Om dat te doen moet ik eerst de spanningsverdeling in de buurt van de verankering begrijpen, mogelijke faalmechanismen controleren en ervoor zorgen dat de wapening correct wordt geplaatst en verankerd om de belasting vanuit het stalen deel over te dragen. Dit kan een uitdaging zijn, vooral als ik niet weet of de voetplaat zich stijf of flexibel gedraagt, wanneer verankeringen dicht bij de randen liggen of wanneer meerdere ankergroepen in één betonblok zijn aangebracht. Kleine veranderingen in de geometrie of in de belastingverdeling kunnen het gedrag volledig veranderen.

Met IDEA StatiCa Detail (3D) en de 3D CSFM-methode kan ik visualiseren hoe spanningen zich door het beton verspreiden, kritieke gebieden identificeren en de wapening controleren. In plaats van te vertrouwen op vereenvoudigde formules of aannames, zie ik nu precies hoe de wapening het uitbreken van beton voorkomt.

Afhankelijk van de workflow kan ik de gegevens rechtstreeks van de staalontwerper ontvangen, inclusief interne krachten die uit IDEA StatiCa Connection worden geëxporteerd, zelfs als de staalontwerper niet over de betonmodule van IDEA StatiCa beschikt. Wanneer ik het bestand ontvang, kan ik het gewoon openen, het beton versterken op basis van de interne krachten, eventueel andere belastingen toevoegen indien nodig, en de code controleren op basis van:

Betonsterkte in druk

\[\sigma_{c,eq} = \sigma_{c3} - \sigma_{c1} < f_{cd}\]

Aanhechtspanning τ_b

\[\frac{τ_{b}}{f_{bd}}\le 1\]

waarbij

\[f_{bd} = 2.25 \cdot η_1\cdot η_2\cdot f_{ctd}\]

en sterkte van de wapening

\(σ_{s,lim} = \frac{k \cdot f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\textsf{\small{voor bilineair diagram met hellende boventak}}\)

\(σ_{s,lim} = \frac{f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\,\,\,\,\textsf{\small{voor bilineair diagram met horizontale boventak }}\)

Of, als ik alleen de resulterende krachten krijg die op de voet werken, kan ik helemaal opnieuw beginnen. Ik kan een stomp modelleren die een kort deel van de stalen kolom voorstelt boven de voetplaat. De stomp brengt de volledige reeks interne krachten (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) over naar de voetplaat op een fysisch realistische manier, zodat de herverdeling van de belasting door de plaat, ankers en beton de echte stijfheid en gedrag weerspiegelt. Op deze manier kan ik de betonwapening met vertrouwen en nauwkeurigheid vanaf nul ontwerpen.

Wat we meenemen in IDEA StatiCa 25.1 voor beide zijden van het ontwerp

Met versie 25.1 dichten we de kloof tussen staal- en betonteams als het gaat om verankeringsontwerp. Het doel was eenvoudig: beide partijen laten modelleren, verifiëren en communiceren met behulp van dezelfde gegevens en hetzelfde begrip van hoe hun ontwerpen zich daadwerkelijk gedragen. Geen wachttijden, geen giswerk, gewoon transparante samenwerking op basis van realistische analyses.

We erkennen ook dat verankering veel meer is dan alleen aanvullende wapening. Ingenieurs moeten vaak specifieke verankeringstypes gebruiken die door verschillende belanghebbenden worden gevraagd (volgplaten, haakankers, kopankers en wapening), die allemaal beschikbaar zijn in de toepassingen van IDEA StatiCa.

Samen zorgen deze verbeteringen voor een completere en technisch consistente workflow voor zowel staal- als betonontwerpers.