Achtergrond en geruchten
Welkom bij mijn zesde blogbericht! Zoals inmiddels traditie is, breng ik graag een persoonlijk tintje mee. Hoeveel van ons herinneren zich nog het moment waarop we ons eerste vakwerk analyseerden? Ik was 18 jaar oud en zat in mijn tweede jaar van de sixth form, waar ik studeerde voor mijn A Levels. Het vak was Engineering Drawing en de methode was Bow's Notation.
Hoeveel (oudere) ingenieurs herinneren zich dat nog? Een paar jaar later was een vakwerk het eerste constructieve systeem dat ik aan de universiteit maakte, weliswaar samen met drie andere teamleden. Het werd gezaagd, geboord, gebout en tot bezwijken getest, wat overigens niet lang duurde!
Vakwerken bestaan in vele vormen en maten en worden gemaakt van zoveel verschillende materialen dat ze nauwelijks te tellen zijn. Herinnert u zich de constructies van rietjes nog? De gemeenschappelijke noemer zijn echter altijd de verbindingen geweest, niet alleen hoe ze behandeld moeten worden, maar ook hoe ze ontworpen moeten worden. Voor hun afmetingen hebben ze een uitzonderlijk groot draagvermogen, en dat is een van de redenen waarom ze een vaste oplossing zijn voor lastige situaties!
Ik heb altijd een liefde voor hout gehad, waarschijnlijk omdat ik een enthousiaste liefhebber ben van historische gebouwen en bouwkunde. Hout was het eerste constructieve materiaal waarmee vakwerken werden gevormd. Houten vakwerken dateren van 2500 voor Christus. De oude Grieken gebruikten ze in hun daken en ze kwamen veelvuldig voor in de middeleeuwse architectuur.
Veel van de oude tiendschuren zijn met deze methoden gebouwd. De verbindingen werden gevormd in de houten staven zelf, met traditionele pen-en-gatverbindingen met houten pennen of iets vergelijkbaars. De gereedschappen waarover de ambachtslieden van vroeger beschikten, waren enigszins beperkt, wat resulteerde in driedimensionale kunstwerken in plaats van alleen iets om wind en regen buiten te houden.
Houten vakwerken zijn altijd toegepast in woningbouw, van middeleeuwse landhuizen tot moderne woningen. Wat sterk is veranderd, zijn de gebruikte methoden en vormen. De moderne dakspanten van vandaag, met hun slanke staven en ontworpen verbindingsplaten, hebben weinig meer gemeen met de afbeelding hierboven.
Wie kijkt naar de evolutie van stalen vakwerken, moet eerst kijken naar ijzer, zowel gietijzer als smeedijzer, en de rol daarvan. De sector die grotendeels verantwoordelijk was voor deze ontwikkeling is het transport. Denk aan de spoorwegen (over de hele wereld).
Er zijn veel mooie voorbeelden over de hele wereld te vinden:
Brunels lenticulaire vakwerkligger – Royal Albert Bridge – Ijzer
De Firth of Forth Rail Bridge – Staal
Nu bruggen voorop liepen met slimme en elegante ontwerpen, wie zou dan vanuit het perspectief van gebouwen de uitdaging oppakken? In 1889 werd in Parijs de 'IJzeren Dame' gebouwd (ook bekend als de Eiffeltoren). Hoewel de toren van smeedijzer is gebouwd, is hij misschien wel een van de meest iconische bouwwerken ter wereld waarin vakwerken en vakwerkwerking een rol spelen.
Moderne constructies zijn uiteraard steeds vaker afhankelijk van vakwerken om bijzondere omstandigheden of grote overspanningen te overbruggen. Er zijn verschillende soorten vakwerken, sommige met een speciale naam:
- bowstring-vakwerk
- waaiervakwerk
- Fink-vakwerk
- gambrel-vakwerk
- Howe-vakwerk
- kingpost-vakwerk
- queenpost-vakwerk
- Vierendeelligger (een vorm van vakwerk)
- Warren-vakwerk
- enz.
Constructieve analyse, ontwerpmethoden en materialen zijn veranderd, maar één constante blijft bestaan: het lastige ontwerp van verbindingen. Het kunnen bepalen van de juiste belastingeisen voor een vakwerk (en voor elke constructie) is van het grootste belang. Veel vakwerken hebben hun oorsprong in de geometrie, dus het is belangrijk dat geometrie ook wordt erkend als een belangrijke, soms architectonische factor.
En IDEA StatiCa?
De staven zelf (in een stalen vakwerk) zijn vaak slank en worden daardoor blootgesteld aan extra effecten, die een ontwerper ertoe kunnen brengen een geavanceerdere analyse te overwegen. Een softwareoplossing die al deze eisen combineert met gebruiksvriendelijke functionaliteit is in de huidige constructiewereld absoluut essentieel.
Gelukkig is er IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection kan de ingewikkelde vakwerkverbindingen van vandaag veilig en efficiënt ontwerpen. Er zijn ook geavanceerde houtverbindingen (met platen). Het kan het analysemodel van verschillende FEA-oplossingen gebruiken via een applicatie genaamd IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot vormt de schakel tussen FEA en IDEA StatiCa Connection. Als de ontwerper zich zorgen maakt over de staven in het vakwerk, dan hebben we IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot kan ook voor deze oplossing worden gebruikt.
Waar past IDEA StatiCa in? Neem een eenvoudig maar essentieel voorbeeld:
Dit zijn mogelijk de meest onderschatte constructies op ons wegennet van vandaag. Ze worden blootgesteld aan alle gebruikelijke belastingtypen: permanente belasting, veranderlijke belasting, wind, sneeuw en ijs. Daarnaast zijn er mogelijk ook dynamische belastingen om te overwegen. Dit alles in een poging iets te ontwerpen dat efficiënt kan worden gefabriceerd en snel kan worden opgebouwd.
Dit voorbeeld is vereenvoudigd, omdat we ons willen richten op de interactie met de IDEA StatiCa-oplossing.
Stap 1 – Eindige Elementen Analyse
De constructie is gemodelleerd, geanalyseerd en ontworpen in een geschikte applicatie voor eindige-elementenanalyse (FEA), in dit geval Autodesk Robot Structural Analysis. Zie onze website voor een volledige lijst van ondersteunde applicaties.
De IDEA StatiCa Checkbot-add-in werd gestart vanuit Robot. De installatie van de meeste van deze zogenoemde add-ins voor de andere ondersteunde applicaties gebeurt automatisch, zodat het gebruik nog sneller en eenvoudiger is.
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 FEA. De externe belastingen die in het FEA-model zijn ingevoerd, worden gebruikt voor de globale analyse en de interne reacties (normaalkrachten, dwarskrachten 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. Zo kunnen doorlopende staven die uit kortere lengtes bestaan, worden samengevoegd voor het ontwerp van een verbinding. In dit voorbeeld zijn de staven van de onderrand op deze manier aangepast. De bovenrand is daarentegen niet aangepast, omdat dit bij de verbinding ervan niet nodig is. Dit is handig bij FEA-applicaties die doorlopende staven op deze manier moeten modelleren.
Stap 3 – De verbindingen ontwerpen en toetsen
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 analyse en werkelijkheid. Staven kunnen tijdens de fabricage verschuiven om ze gemakkelijker te kunnen lassen. Dit kan vaak tot problemen in het analytische model leiden. In IDEA StatiCa kunnen we excentriciteiten aanpassen om rekening te houden met dit verschil.
In Connection moet u er bij het Model Type aan denken dat het overeenkomt met het analysemodel. Als u verbindingen met één bout in een traditionele schetsplaat wilt toepassen, moet u eraan denken het Model Type dienovereenkomstig te 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 achterwege blijven.
Werken met de daadwerkelijke rekencombinaties van belastingen is noodzakelijk om een veilig en efficiënt verbindingsmodel en een veilige en efficiënte normtoetsing te verkrijgen. Met vier eenvoudige bewerkingen om een volledig gelaste verbinding te maken, zien we dat alle kritieke belastingseffecten (onze rekencombinaties) achtereenvolgens zijn getoetst en dat ze allemaal voldoen.
Stap 4 – Staven toetsen
De tweede verbinding kan op vergelijkbare wijze worden ontworpen voordat de diagonaal in IDEA StatiCa Member wordt bekeken.
Wat dit echter laat zien, is dat er veel ruimte is om verder te kijken naar efficiëntiewinst in materiaal en verbindingen, omdat veel vakwerkstaven te zwaar zijn gedimensioneerd om het gebrek aan geavanceerde analyse te compenseren.
Slotgedachten
Vakwerken zijn een essentieel onderdeel van de constructieleer en het gebruik ervan wordt alleen maar gewaagder. Vooruitgang in materialen en bouwmethoden zal ertoe leiden dat de komende jaren nieuwe ontwerpen en concepten ontstaan. Daar ben ik zeker van. Wat ik zie in de aanpak van IDEA StatiCa als datastore, is het beste van twee werelden: we laten de experts op het gebied van FEA hun werk voortzetten en wereldklasse-oplossingen ontwikkelen, terwijl wij koppelen aan hun resultaten en model om de verbindingsmodellen en staafcontroles te maken. Op dat gebied zijn wij de beste in onze klasse!
Ik hoop dat u deze uitstap naar de wereld van vakwerken heeft gewaardeerd en dat u hebt gezien hoe wij bij IDEA StatiCa u op verschillende manieren kunnen helpen. Houd binnenkort een gerelateerd artikel over windverbanden in de gaten.
