Wanneer ingenieurs concurreren - 6 manieren om een staalverbinding te ontwerpen

De teams bestonden uit constructeurs van ingenieursbureaus en staalconstructeurs, en elk team werd begeleid door een ervaren verbindingsontwerper. Nadat de groepen hun ontwerpen hadden gepresenteerd, hadden wij van IDEA StatiCa de mogelijkheid om de verbindingen te modelleren met de Connection applicatie. Op die manier konden we de resultaten direct analyseren en samen bespreken.

We leggen de ontwerpen en resultaten hieronder in meer detail uit. Het artikel is verdeeld in twee delen, één voor elke staalverbinding ontwerpuitdaging.

1 - Ontwerp een complexe kolom-balk verbinding met randbalken

In de eerste ontwerpuitdaging richtten we ons op een verbinding die vier staven verbindt. De inwendige krachten en profielen maakten dit een uitdagende ontwerptaak, zoals blijkt uit de verscheidenheid aan oplossingen: elk van de zes teams koos een andere aanpak. Dit is precies wat dit vak zo fascinerend maakt: er is nooit één juiste oplossing.

De grootste uitdaging deed zich voor bij de verbinding van de randbalken. Twee rechthoekige kokerprofielen (180/180/6) moesten worden verbonden met een kolom (HEA160) of hoofdbalk (IPE400). In combinatie met de opgelegde belastingen leverde dit een moeilijke ontwerpsituatie op.

Hieronder volgt een overzicht van de verbindingen, schetsen en modellen uitgewerkt in de staalverbinding software IDEA StatiCa. Vervolgens bespreken we elke verbinding en belichten we de belangrijkste inzichten uit de discussies en resultaten.

Groep A

Groep A koos ervoor de kolom te verlengen en de hoofdbalk (IPE400) te verbinden met een kopplaat. De uitdaging lag voornamelijk in het verbinden van de kokerprofielbalken (RHS) met de HEA160-kolom. Hiervoor werd een schetsplaat verbinding met twee M36-bouten voorgesteld. Bij het modelleren in IDEA StatiCa bleek echter al snel dat er onvoldoende ruimte was voor deze boutmaat. Zoals de experts tijdens de workshop benadrukten, is het essentieel om op schaal te tekenen om de maakbaarheid van een verbinding te begrijpen.

In plaats van een directe gelaste verbinding koos de groep ervoor de verbindende plaat door een sleuf in het kolomlijf te voeren om krachten beter over te dragen en spanningen in het kolomlijf te verminderen.

Bij het berekenen van de verbinding in IDEA StatiCa ontstaan grote plastische rekken in de verbinding van de randbalken. Door de hoge normaalkracht van 400 kN (druk) in de randbalken en een excentriciteit in de schetsplaat ontstaat er een buigend moment in de verbinding. Met een eindige-elementenmethode tool zoals IDEA StatiCa wordt dit snel zichtbaar via de optredende vervormingen.

Door de plaatdikten te vergroten kan de verbinding aan de eisen voldoen. Met een doorlopende plaat van 35 mm en 2x M33 8.8-bouten wordt voldoende sterkte en stijfheid bereikt.

Hoewel de oplossing bevredigend is, is het de moeite waard om de excentriciteit te vermijden en is dit waarschijnlijk constructief efficiënter.

Groep B

Groep B had een vergelijkbare verbinding, maar hier werd de hoofdbalk verlengd. Door te kiezen voor een symmetrische verbinding van de vierkante kokerprofielbalken (SHS) wordt het extra buigend moment vermeden. Met de voorgeschreven plaatdikten blijft de plastische rek net onder de 5%-grens.

Door de platen te verdikken en voldoende lassen aan te brengen, kan de combinatie van normaalkracht (druk) en horizontale afschuiving worden weerstaan, waarbij de plastische rek onder de 5% blijft.

Alleen de bouten voldoen nog niet bij gebruik van 4x M24 8.8. Het eenvoudigweg verzwaren van de bouten lost het probleem echter niet op, omdat de normtoetsing wordt begrensd door de drukweerstand. Een alternatieve oplossing is om de staalsoort te verhogen van de verbindingsplaten naar S355. Dit maakt het mogelijk optimale resultaten te bereiken met slechts minimale toenames in plaatdikte en boutmaat.

Groep C

Groep C heeft een vergelijkbare verbinding, maar in tegenstelling tot groepen A en B is deze meer geschikt voor horizontale belasting omdat de schetsplaat een kwartslag is gedraaid. We hebben opnieuw te maken met een excentriciteit en stuiten op dezelfde problemen als bij Groep A. Het gebruik van vier bouten in plaats van twee maakt de verbinding stijver, maar we zien nog steeds hoge plastische rek en vervorming. Het lassen van de schetsplaat aan de verstijver en het vergroten van de plaatdikten helpen de verbinding stijver te maken, maar excentriciteit zal altijd aanwezig zijn.

Door de plaatdikten van 15 mm naar 30 mm te vergroten, kan de verbinding voldoen aan de ontwerpvereisten met 4x M24 8.8-bouten.

Dit type verbinding functioneert het veiligst zonder excentriciteiten. Als een excentriciteit om praktische redenen onvermijdelijk is, zal de verbinding vooral geschikt zijn voor het overdragen van een dwarskracht in één richting, in de richting waar de verbinding het stijfst is. De combinatie van een excentriciteit met een grote normaalkracht (druk) en een dwarskracht in de zwakke richting van de verbinding zal ertoe leiden dat de staaf uitbuigt en knikgevaar ontstaat.

Knkanalyse

Om dit risico goed te beoordelen, is het zinvol een aanvullende knkanalyse uit te voeren. Met IDEA StatiCa kan een lineaire knkanalyse worden uitgevoerd, die aantoont dat voor platen met onvoldoende dikte een knikvorm die lijkt op globale knik kan optreden. Op basis van de bijbehorende knkfactor kan dit worden geïnterpreteerd als knkbezwijken.

Meer informatie hierover en over hoe IDEA StatiCa lineaire knkanalyse uitvoert, is te vinden in het volgende artikel Globale knik versus lokale knik. Wat betekent het?

Groep D

Groep D kiest een andere aanpak en de problemen die bij de eerste drie groepen werden gezien, worden direct vermeden door de randbalken door te laten lopen. De IPE400 wordt verbonden met de gedeeltelijk doorgaande kolom via een kopplaat en met de randbalk via een kleine lip plaat. De resultaten tonen aan dat de verbinding constructief goed presteert en de krachten efficiënt worden overgedragen.

Omdat het een afschuivingsverbinding betreft, adviseert de groep een langsgat te gebruiken in de lip plaat om te voorkomen dat er bij balkrotatie een te grote kracht via de bout wordt overgedragen. Dit voorkomt hoge spanningen in de lip plaat en de wand van het rechthoekige kokerprofiel. Deze ontwerpoverweging beïnvloedt ook de rotatiesstijfheid van de verbinding.

Stijfheidsanalyse

Om de exacte stijfheid van de verbinding te bepalen, kan een stijfheidsanalyse worden uitgevoerd met IDEA StatiCa. Het moment-rotatiediagram wordt gegenereerd en op basis van de Eurocode kan de verbinding worden geclassificeerd als volledig stijf, flexibel of scharnierend.

Bij analyse van de verbinding van de dakbalk voor Groep D geeft IDEA StatiCa een rotatiesstijfheid die als flexibel wordt beschouwd. Deze stijfheid kan in het globale constructiemodel worden weergegeven met behulp van een roterende veerstijfheid.

Als echter een eenvoudige verbinding vereist is, moet het detail worden aangepast zodat de verbinding daadwerkelijk als scharnierend wordt geclassificeerd. Zoals weergegeven in de onderstaande figuur, is in situatie (2) een scharnier gerealiseerd door de bovenste boutrij te verlagen. 

Groep E

Groep E verlengde de dakbalk en plaatste deze bovenop de kolom. De randbalken werden met kopplaten aan de dakbalk bevestigd, zodat de krachten correct worden overgedragen in de verbinding.

Om de montage van de bouten mogelijk te maken, stelde de groep een uitsparing voor in de wand van het kokerprofiel. Een doordachte oplossing, aangezien praktische uitvoerbaarheid een belangrijke overweging is. De uitsparing creëert een andere spanningsverdeling in de inkeping, maar door een ronde uitsparing toe te passen blijven spanningsconcentraties beperkt.

Groep F

Zoals we hebben gezien, creëert de verbinding van de randbalken ontwerpuitdagingen. Groep F lost deze op door de randbalken te vervangen door HEA160-profielen. Dit maakt het eenvoudiger om de balken met de kolom te verbinden en biedt voldoende ruimte voor de montage van de bouten. De verbinding presteert goed onder druk, en de kopplaten leiden de krachten efficiënt door de kolom.

De randbalken kunnen echter ook worden belast met een trekkracht van 400 kN. In dit belastinggeval voldoet de verbinding niet. Door de dikte van de kopplaten te vergroten van 15 mm naar 20 mm, wordt aan de sterktevereisten voldaan en is de verbinding geschikt voor trek- en drukbelastingen.

Connection Library

Weet u niet zeker hoe u een specifieke staalverbinding moet modelleren? De Connection Library in IDEA StatiCa geeft u direct toegang tot tientallen praktische voorbeelden, zodat u sneller de juiste oplossing vindt. Het is een waardevolle bron die veel constructeurs gebruiken als inspiratie bij het ontwerpen van staalverbindingen.

2 - Ontwerp een kolom voetplaat verbinding met windverband

De tweede ontwerpuitdaging betreft een kolom voetplaat verbinding. Het diagonale windverband kan worden uitgevoerd in drie verschillende profielen en wordt belast met een druk kracht van 500 kN. De kolom zelf ondergaat een aanzienlijke druk kracht van 2000 kN.

De focus ligt op de verbinding tussen de diagonaal en de kolom, evenals het ontwerp van de voetplaat, inclusief ankers en de fundering. Op basis van de ingediende schetsen en presentaties werden de verbindingen gemodelleerd en geanalyseerd in IDEA StatiCa. Ook hier toont dit ontwerp aan dat meerdere verbindingsoplossingen mogelijk zijn: er is geen enkel juist antwoord. Hieronder presenteren we een overzicht van de verschillende ontwerpen, inclusief de resultaten uit IDEA StatiCa. Vervolgens bespreken we de belangrijkste ontwerpoverwegingen, waarbij we de groepen gezamenlijk behandelen in plaats van afzonderlijk.

Verbinding windverband met kolom

Voor de verbinding van het windverband kozen drie groepen (A, C, E) voor een kopplaat met stompverbinding, en de andere drie groepen (B, D, F) voor een schetsplaat met boutverbinding.

Het ontwerp met de stompverbinding zorgt voor directe overdracht van de druk kracht zonder complicaties in de verbinding. Door te kiezen voor een HEA-profiel is de boutmontage eenvoudig uitvoerbaar en is het lijf van de diagonale staaf uitgelijnd met het lijf van de kolom. Als gevolg hiervan worden de spanningen goed overgedragen naar de kolom, zoals te zien is in de oplossingen van groepen A, C en E (zie figuur).

Groepen B, D en F kozen daarentegen voor een schetsplaat verbinding. Hierbij werd overwogen de kolom een kwartslag te draaien zodat het windverband aan de binnenzijde van de kolom kan worden verbonden zonder te veel ruimte in te nemen. In dat geval is de schetsplaat echter direct, maar dwars, verbonden met het lijf van de kolom, en door de hoge druk krachten kunnen er dan piekspanningen optreden in het lijf van de kolom. De berekeningen in IDEA StatiCa tonen aan dat het ontwerp net binnen de aanvaardbare grenzen valt, maar de constructeur dient voorzichtig te blijven. Als het lijf plastisch begint te vervormen, is het raadzaam de kolom te draaien, de lijfdikte te vergroten of verstijvers toe te voegen.

Bij de ontwerpen met de schetsplaat verbinding is het voordelig de verbinding symmetrisch te maken en de platen niet te ver te laten uitsteken, om dezelfde redenen die we bij de eerste ontwerpuitdaging hebben besproken. Verbinding B heeft een asymmetrische indeling, maar de 20 mm dikke plaat en het gebruik van zes bouten weerstaan het optredende moment effectief, waardoor de spanningen binnen aanvaardbare grenzen blijven.

Ontwerp van de kolom voetplaat

Er zijn ook belangrijke overwegingen bij het ontwerp van de voetplaat en de betonnen fundering. Door de hoge druk krachten is het cruciaal dat de spanningen goed worden verdeeld via de voetplaat naar het beton. Dit kan worden bereikt door een dikkere plaat te kiezen en deze breder te maken dan het kolomprofieel, zodat de spanningen beter worden verdeeld.

De onderstaande figuur vergelijkt de spanningen in de voetplaat en de contactspanningen in het beton voor een voetplaat van 40 mm en 10 mm dik. Als de voetplaat te dun is, concentreren de spanningen zich rondom het kolomprofieel in plaats van effectief te worden verdeeld. Als gevolg hiervan wordt het effectieve contactoppervlak op het beton te klein, wat leidt tot druk krachten die de toelaatbare grens overschrijden.

Kolom fundering

We zien verschillende funderingsoplossingen, met of zonder mortelvoeg, en ankers met of zonder ankerplaten. De gebruikte ankers variëren van M20 tot M30.

De berekeningen in IDEA StatiCa tonen aan dat geen van de verbindingen voldoet voor de normtoetsing van de ankers. Standaard zijn de afschuivingskrachten ingesteld om via de ankers te worden overgedragen. M20-ankers blijken onvoldoende sterk en kunnen de afschuivingskrachten niet weerstaan. Ankers M30 8.8, in combinatie met een ankerplaat, zijn daarentegen voldoende sterk om de afschuivingskrachten over te dragen. Desondanks is de normtoetsing nog steeds niet bevredigend, omdat het probleem nu niet in het staal ligt, maar in het bezwijken van het beton.

De afschuivingskrachten op de ankers veroorzaken randbreuk van het beton, waarbij de ankers uit het beton breken. IDEA StatiCa Connection rekent met ongewapend beton, zodat bezwijken van het beton bij hogere krachten onvermijdelijk is.

Als de krachten niet kunnen worden verminderd, blijven er vier mogelijke oplossingen over.

1. Optimaliseer de overdracht van afschuivingskrachten door een afschuif deuvel toe te voegen. Op deze manier wordt alle afschuiving overgedragen door de afschuif deuvel en wordt bezwijken van de ankers en betonuitbraak vermeden.
2. Draag afschuivingskrachten over via wrijving in plaats van via de ankers. De hoge druk kracht in de kolom biedt voldoende wrijvingsweerstand. 
3. Pas het betonblok aan. Door de randafstand of betonklasse te vergroten, is het beton minder gevoelig voor uitbraak.
4. Ontwerp aanvullende wapening in het betonblok. Op deze manier weerstaat de stalen wapening trek krachten en voorkomt betonuitbraak. Deze oplossing kan worden gemodelleerd en geanalyseerd met IDEA StatiCa 3D Detail.

Zoals blijkt uit de schetsen van de ontwerpers, heeft alleen Groep E wapening in hun ontwerp opgenomen. Door stalen wapening toe te voegen aan het betonelement kunnen bezwijkmechanismen zoals betonkegelbezwijken en betonrandbreuk worden voorkomen.

Benieuwd hoe u tijd kunt besparen bij het ontwerp van wapening zonder in te leveren op veiligheid?

• Bekijk dit webinar over het benutten van wapening bij ankerontwerp
• Of bekijk deze IDEA StatiCa tutorial over excentrisch belaste verankering in Detail.

Slotwoord

De staalverbindingen zijn ontworpen door 6 groepen, gemodelleerd in IDEA StatiCa en besproken met ervaren constructeurs. Met behulp van IDEA StatiCa konden we de resultaten in detail analyseren en belangrijke ontwerpoverwegingen identificeren en bespreken. Deze workshop toont aan dat veel verbindingen op een oneindig aantal manieren kunnen worden ontworpen en dat er nooit één juiste oplossing is. We ervoeren het belang van op schaal tekenen en het volgen van de krachtenstroom in de verbinding. Het analyseren van de stijfheden en het visualiseren van hoe de verbinding zal vervormen is een goed gedachte-experiment om te begrijpen hoe een verbinding zich zal gedragen.

"Verbeeldingskracht is belangrijker dan kennis" zei een man genaamd Albert Einstein ooit. En dat geldt zeker ook voor het ontwerpen van staalverbindingen. Wie zich kan voorstellen hoe een verbinding eruitziet, hoe deze wordt gemaakt, of de verhoudingen kloppen, hoe de krachten zullen stromen en hoe de verbinding zal vervormen, is al een stap dichter bij het worden van de beste staalverbindingsontwerper.