Workshop Verbindingen - Casus 2

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

Tijdens deze praktijkgerichte workshop gingen 36 ingenieurs, verdeeld over zes teams, aan de slag met twee uitdagende ontwerpvraagstukken. Elk team kreeg de opdracht een staalverbinding te ontwerpen met aandacht voor zowel constructieve prestaties als uitvoerbaarheid. 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 tweede artikel gaan we in op Casus 2, waarin de ingenieurs de volgende opgave kregen.

Casus 2

In de tweede casus gaat het om een kolomvoetplaatverbinding in combinatie met een diagonale schoor. De schoor kan in drie verschillende profielen worden uitgevoerd en wordt belast met een drukkracht van 500 kN. De kolom zelf ondervindt een aanzienlijke drukkracht van 2000 kN.

De focus ligt op de aansluiting van de diagonaal op de kolom, en het ontwerp van de voetplaat, inclusief de ankers en de fundering. Hieronder geven we een overzicht van de voorgestelde oplossingen. Aan de hand van de ontvangen schetsen en presentaties zijn de verbindingen gemodelleerd en doorgerekend in IDEA StatiCa. In het vervolg van dit artikel bespreken we de verbindingen, de opmerkingen van de experts en de berekende resultaten.

In dit ontwerpvraagstuk zien we opnieuw dat meerdere verbindingen mogelijk zijn, zonder dat er één juiste oplossing is. Hieronder geven we een overzicht van de verschillende verbindingen, inclusief de resultaten uit IDEA StatiCa. Vervolgens bespreken we de belangrijkste ontwerpoverwegingen, waarbij we de verschillende groepen gezamenlijk behandelen in plaats van afzonderlijk.

Aansluiting schoor op kolom

Voor de aansluiting van de schoor kozen drie groepen (A, C, E) voor een kopplaat met stuikverbinding, en de andere drie groepen (B, D, F) voor een schetsplaat met boutverbinding.

Het ontwerp met de stuikverbinding (Stub) zorgt voor een directe overdracht van de drukkracht, zonder complicaties in de aansluiting. Door te kiezen voor een HEA-profiel is de montage van de bouten goed uitvoerbaar en loopt het lijf van de schoor in lijn met het lijf van de kolom. Hierdoor worden de spanningen goed doorgeleid in de kolom, zoals te zien is bij de oplossingen van groepen A, C en E (zie afbeelding).

In tegenstelling kozen Groepen B, D en F voor een schetsplaat verbinding (Gusset plate). Daarbij is overwogen om de kolom een kwartslag te draaien zodat de schoor in de kolom kan worden aangesloten zonder te veel ruimte in te nemen. Echter, in dat geval wordt de schetsplaat direct, maar dwars, aangesloten op het lijf van de kolom, en door de hoge drukkrachten kunnen dan piekspanningen ontstaan in het lijf van de kolom. Uit de berekeningen in IDEA StatiCa blijkt dat dit nog net voldoet, maar de constructeur moet hier alert op zijn. Wanneer het lijf plastisch gaat vervormen is het aan te raden om de kolom te draaien, het lijf te verdikken of verstijvers toe te voegen.

Bij de ontwerpen met de schetsplaatverbinding is het gunstig om de aansluiting symmetrisch uit te voeren en de platen niet te ver te laten uitsteken, om dezelfde redenen die we bij Casus 2 hebben besproken. Verbinding B heeft een asymmetrische aansluiting, maar dankzij de 20 mm dikke plaat en het gebruik van zes bouten wordt het bijkomende moment voldoende opgenomen, waardoor de spanningen beperkt blijven.

Kolomvoetplaat

Ook in het ontwerp van de voetplaat en fundatie zijn belangrijke aandachtspunten. Door de hoge drukkrachten is het cruciaal dat de spanningen goed worden verspreid via de voetplaat in het beton. Dit kan worden bereikt door een dikkere voetplaat te kiezen en deze breder uit te voeren dan het kolomprofiel, zodat de spaninngen zich beter verdelen.

In onderstaande afbeelding worden de spanningen in de voetplaat en de contactspanningen in het beton vergeleken voor een voetplaat van 40 mm en 10 mm dik. Bij een te dunne voetplaat concentreren de spanningen zich rond het kolomprofiel en worden deze niet effectief door de plaatdikte verspreid. Ditzelfde effect zien we terug in de spanningen in het beton. Een slechte spanningsverdeling leidt tot overschrijding van de toelaatbare drukspanning.

Kolomfundatie

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

Uit de berekeningen in IDEA StatiCa blijkt dat geen van de verbindingen voldoet voor de toetsing van de ankers. Als standaard is ingesteld dat de afschuifkrachten worden overgedragen door de ankers. M20-ankers blijken onvoldoende sterk en kunnen de afschuifkrachten niet weerstaan. Daarentegen zijn ankers M30 8.8, in combinatie met een volgplaat, wel voldoende sterk om de afschuifkrachten over te dragen. Toch voldoet de toetsing nog niet, omdat het probleem nu niet in het staal zit, maar in het falen van het beton.

Door de afschuifkrachten op de ankers ontstaat randfalen van het beton, waarbij de ankers zijdelings uit het beton breken. IDEA StatiCa Connection rekent, conform EN 1992-4, met ongewapend beton, waardoor het betonfalen bij hogere krachten onvermijdelijk is.

Als de krachten niet gereduceerd kunnen worden, blijven er drie mogelijke oplossingen over.

1. Het betonblok aanpassen (randafstand vergroten of betonklasse verhogen).
2. Afschuifkrachten overdragen via wrijving in plaats van via de ankers. De hoge drukkracht in de kolom zorgt voor voldoende wrijvingsweerstand.
3. Aanvullende wapening toepassen in het betonblok, zodat de wapening de trekspanningen opneemt en voorkomt dat het beton uitbreekt.

Zoals in de schets te zien is, had alleen Groep E wapening opgenomen in het ontwerp. Wil je weten hoe je wapening kunt modelleren en toetsen met IDEA StatiCa? Lees dan dit artikel over het analyseren van funderingsblokken inclusief ankers en wapening.

Slotwoord

De staalverbinding van casus 2 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.

Mocht je het vorige artikel gemist hebben, kijk dan vooral ook even naar Casus 1, waarin de ingenieurs een complexe kolom-ligger verbinding met randstaven moesten ontwerpen.