Workshop Verbindingen - Casus 1

Bouwen met Staal organiseerde in samenwerking met TC10 een workshop verbindingen voor constructeurs bij Kampstaal in Emmeloord. 

De teams bestonden uit constructeurs van ingenieursbureaus en staalbouwers, en werden elk begeleid door een ervaren verbindingsontwerper. Nadat de groepen hun ontwerp hadden gepresenteerd, kregen wij vanuit IDEA StatiCa de gelegenheid om de verbindingen te modelleren met de Connection applicatie. Op die manier konden we de resultaten direct analyseren en gezamenlijk bespreken.

De ontwerpen en resultaten lichten we hieronder verder toe. In dit eerste artikel gaan we in op casus 1, waarin de ingenieurs de volgende opgave kregen.

Casus 1

In de eerste casus bekeken we een knoop waarin vier staven samenkomen. Door de aard van de interne krachten en de profielen bleek dit geen eenvoudig ontwerpvraagstuk en dat werd ook duidelijk uit de diversiteit aan voorgestelde oplossingen: de zes teams kwamen elk met een unieke aanpak. Precies dat maakt dit vak zo boeiend, er is nooit één juiste oplossing.

De grootste uitdaging ontstond bij de aansluiting van de randstaven. Twee rechthoekige kokers (180/180/6) moeten worden verbonden met een kolom (HEA160) of randligger (IPE400). In combinatie met de opgelegde belastingen zorgde dit voor een lastige ontwerpsituatie. 

Onderstaand zie je een overzicht van de verbindingen, de schetsen en de modellen die in IDEA StatiCa zijn uitgewerkt. Vervolgens bespreken we elke verbinding en belichten we de belangrijkste inzichten uit de discussies en resultaten.

Groep A

Groep A koos ervoor de kolom door te laten lopen en de dakligger (IPE400) met een kopplaat aan te sluiten. De uitdaging zat voornamelijk in het verbinden van de randstaven aan de HEA160-kolom. Hiervoor werd een lipplaatverbinding met twee M36-bouten voorgesteld. Bij het modelleren in IDEA StatiCa bleek echter al snel dat er onvoldoende ruimte was voor deze boutgrootte. Zoals de experts van TC10 benadrukten, is het essentieel om op schaal te tekenen om inzicht te krijgen in de maakbaarheid van een verbinding.

De groep koos er bewust voor om de schetsplaat door een sleuf in het kolomlijf door te trekken, zodat de krachten beter worden afgedragen en de spanningen in het lijf gereduceerd worden.

Bij het berekenen van de verbinding in IDEA StatiCa ontstaan er grote plastische rekken in de aansluiting van de kokers. Door de hoge axiale drukkracht van 400 kN in de randstaven en een excentriciteit in de schetsplaat, ontstaat er een buigend moment in de aansluiting. In IDEA StatiCa wordt dit snel zichtbaar door de vervormingen die ontstaan.

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

In deze voorbeelden hebben we ervoor gekozen om het Model type voor de randstaven op N-Vy-Vz-Mx-My-Mz te laten staan. Dit kan tot conservatieve resultaten leiden maar daardoor wel altijd aan de veilige kant. Ervaren IDEA-gebruikers weten dat het mogelijk is om het Model type te wijzigen naar N-Vy-Vz. In dat geval wordt aangenomen dat de staaf aan het uiteinde is ondersteund en dat de momenten daar worden opgenomen. Dit kan realistischere resultaten geven, maar ook leiden tot mogelijk te gunstige uitkomsten, afhankelijk van de werkelijke lengte van de staaf en hoe de verbinding aan de andere kant eruit ziet.

Als de gebruiker de plaatdiktes verder wil optimaliseren voor een excentrische verbinding, wordt aangeraden om gebruik te maken van de Member-applicatie. Hiermee modelleer je de volledige balk, inclusief werkelijke lengte en verbindingen, en simuleer je het gedrag van de verbindingen met betrekking tot spanning-rek en globale knik op een realistischere manier.

Lees voor meer informatie hierover dit artikel: Key insights into constraints, member length and GMNA vs MNA analysis | IDEA StatiCa

Groep B

Groep B had een vergelijkbare verbinding, maar hier werd de dakligger doorgetrokken. Door te kiezen voor een symmetrische aansluiting van de randstaven wordt het extra buigend moment voorkomen. Met de voorgeschreven plaatdiktes komen we net niet onder de 5% plastische rek. 

Door de platen te verdikken kan de combinatie van axiale drukkracht en horizontale dwarskracht worden weerstaan en blijft de plastische rek onder de 5%.

Alleen de bouten voldoen nog niet bij gebruik van 4x M24 8.8. Het simpelweg versterken van de bouten lost het probleem echter niet op, omdat de toetsing wordt beperkt door de stuikweerstand. Een alternatieve oplossing is de staalkwaliteit van de aansluitplaten verhogen naar S355. Daarmee kan, met minimale plaatverdikking en boutgrootte, een optimaal resultaat worden behaald.

Groep C

Groep C heeft een vergelijkbare verbinding, maar is in tegenstelling tot groep A en B meer geschikt voor de horizontale belasting, doordat de schetsplaat een kwartslag is gedraaid. We hebben weer te maken met een excentriciteit en krijgen dezelfde problemen als benoemd bij Groep A. Het gebruik van 4 bouten in plaats van 2 maakt de verbinding stijver, maar nog steeds zien we hoge plastische rekken en vervormingen. De las aan de kopplaat en het vergroten van de plaatdiktes helpen de verbinding stijver te maken, maar de excentriciteit zal altijd aanwezig zijn.

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

Als een excentriciteit onvermijdelijk is vanwege praktische uitvoer, zal de verbinding vooral goed presteren voor het overdragen van een dwarskracht in één richting, in de richting waar de verbinding het stijfst is. De combinatie van een excentriciteit met grote normaal drukkracht en een dwarskracht in de zwakke richting van de aansluiting zorgt voor het uitbuigen van de staaf en vergroot de kans op knik. 

Knikanalyse

Om dit risico goed te beoordelen, is het zinvol om een aanvullende knikberekening uit te voeren. Met de Connection applicatie kan een lineaire knikanalyse worden uitgevoerd, waaruit blijkt dat bij te dunne plaatdiktes een knikvorm kan optreden die geclassificeerd kan worden als globale knik.

Meer informatie hierover en over de manier waarop IDEA StatiCa de lineaire knikanalyse uitvoert, is te vinden in het volgende artikel. Global buckling vs. local buckling. What does it mean? | IDEA StatiCa

Groep D

Groep D kiest voor een andere aanpak en de problemen die we bij de eerste drie groepen zagen, worden direct vermeden door de randstaaf door te laten lopen. De IPE400 wordt met een kopplaat verbonden aan de deels doorlopende kolom en met een klein lipplaatje aan de randstaaf. De resultaten tonen aan dat de verbinding constructief goed presteert en de krachten efficiënt worden doorgeleid.

De groep adviseert een sleufgat in de lipplaat om te voorkomen dat bij rotatie van de ligger te veel kracht via de bout wordt overgedragen. Zo worden hoge spanningen in de lipplaat en kokerwand vermeden. Deze ontwerpoverweging heeft ook invloed op de rotatiestijfheid van de verbinding.

Stijfheidsanalyse

Om de exacte stijfheid van de verbinding te bepalen, kan men met IDEA StatiCa een stijfheidsanalyse uitvoeren. Het moment-rotatie diagram wordt gegenereerd en op basis van de Eurocode kan de verbinding worden geclassificeerd als volledig stijf (rigid), flexibel (semi-rigid) of scharnierend (pinned). 

Als we de verbinding van de dakligger voor groep D analyseren geeft IDEA StatiCa een rotatiestijfheid die als flexibel wordt beschouwd. Deze stijfheid kan in het globale constructiemodel worden gemodelleerd met een rotatieveer.

Indien echter een scharnierende verbinding vereist is, moet het detail zodanig worden aangepast dat de verbinding daadwerkelijk als scharnierend wordt geclassificeerd. Zoals weergegeven in onderstaande afbeelding is in situatie (2) een scharnier gerealiseerd door de bovenste boutrij te verlagen.

Groep E

Groep E heeft de dakligger doorgetrokken en boven op de kolom geplaatst. De randstaven zijn met kopplaten aan de dakligger bevestigd, waardoor de krachten goed worden doorgeleid in de verbinding.

Om de montage van de bouten mogelijk te maken, heeft de groep een uitsnede in het kokerprofiel voorgesteld. Een doordachte oplossing, aangezien de praktische uitvoerbaarheid een belangrijk aandachtspunt is. De snede zorgt voor een andere spanningsverdeling in de koker, maar door een ronde uitsnede toe te passen, blijven spanningsconcentraties beperkt.

Groep F

Zoals we hebben gezien, zorgt de verbinding van de randstaven voor uitdagingen in het ontwerp. Groep F lost deze op door de randstaven te vervangen door HEA160-profielen. Hierdoor kunnen de balken eenvoudiger aan de kolom worden verbonden, en is er voldoende ruimte voor de montage van de bouten. De verbinding presteert goed onder druk en de kopplaten leiden efficiënt de krachten door in de kolom.

De randstaven kunnen echter ook onder een trekkracht van 400 kN komen te staan. In dit belastingsgeval voldoet de verbinding niet. Door de dikte van de kopplaten te vergroten van 15 mm naar 20 mm wordt aan de sterkte-eisen voldaan en is de verbinding geschikt voor trek en druk lasten.

Connection Library

Wanneer de staalconstructeur met IDEA StatiCa werkt zou deze ook gebruik kunnen maken van de Connection Library om inspiratie op te doen voor de mogelijke verbindingen.

Slotwoord

De staalverbinding van casus 1 is ontworpen door 6 groepen, gemodelleerd in IDEA StatiCa en besproken met ervaren constructeurs. We hebben de resultaten kunnen analyseren door middel van het gebruik van IDEA StatiCa, waarin een aantal aandachtspunten naar voren kwamen. Deze workshop laat zien dat veel verbindingen op oneindig veel manieren kunnen worden ontworpen en dat er nooit één juiste oplossing is. We hebben ervaren dat het belangrijk is om op schaal te tekenen en om het pad van de krachten in de verbinding te volgen. Het analyseren van de stijfheden en het visualiseren hoe de verbinding zal vervormen is een goed gedachte experiment om te begrijpen hoe een verbinding zich zal gedragen.

“Imagination is more important than knowledge” zei een man genaamd Albert Einstein wel eens. En dat geldt zeker ook voor het ontwerpen van staalverbindingen. Wie kan imagineren hoe de verbinding eruit ziet, hoe deze gemaakt wordt, of de verhoudingen kloppen, hoe de krachten lopen en hoe de verbinding zal vervormen is al een stap dichterbij het worden van de beste verbindingsontwerper.

In het volgende artikel gaan we in op casus 2, waarin de ingenieurs werd gevraagd om een kolomvoetplaatverbinding te ontwerpen met windverband.