Geboute portaalraam dakvoet momentverbinding

Beschrijving

Het doel van deze studie is de verificatie van een geboute portaalraam dakvoet verbinding, zoals weergegeven in Fig. 9.2.1. De spant is gebouten via een kopplaat op de kolomflens. De kolom is verstijfd met twee horizontale verstijvers ter hoogte van de liggerflensen. Gedrukte platen, zoals horizontale verstijvers van de kolom, het lijfpaneel op afschuiving of druk, en de gedrukte liggerflens, zijn ontworpen als doorsnedeklasse 3. De horizontale ligger is 6 m lang en wordt belast door een gelijkmatig verdeelde belasting over de volledige lengte.

Fig. 9.2.1 Geboute portaalraam dakvoet verbinding

Analytisch model

Acht componenten worden onderzocht: hoeklas, lijfpaneel op afschuiving, kolomlijf op dwarse druk, kolomlijf op dwarse trek, liggerflens op druk en trek, kolomflens op buiging, kopplaat op buiging en bouten. Alle componenten zijn ontworpen volgens EN 1993-1-8:2005. De rekenwaarden van de belastingen op de componenten zijn afhankelijk van de positie. Het lijfpaneel op afschuiving wordt belast door de rekenwaarden op de verticale as van de kolom. Andere componenten worden belast door gereduceerde rekenwaarden in de kolomflens waarop de horizontale ligger is aangesloten.

Hoeklas

De las loopt rondom de gehele doorsnede van de ligger. De dikte van de las op de flensen kan afwijken van de dikte van de las op het lijf. De verticale afschuifkracht wordt uitsluitend overgedragen door de lassen op het lijf, waarbij een plastische spanningsverdeling wordt aangehouden. Het buigend moment wordt overgedragen door de gehele lasvorm, waarbij een elastische spanningsverdeling wordt aangehouden. De effectieve lasbreedte, afhankelijk van de horizontale stijfheid van de kolom, wordt in rekening gebracht (vanwege buiging van de onverstijfde kolomflens). Het ontwerp van de las wordt uitgevoerd conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 4.5.3.2(6). De beoordeling wordt uitgevoerd op twee maatgevende punten: op de boven- of onderrand van de flens (maximale buigspanning) en op het snijpunt van de flens en het lijf (combinatie van afschuifkracht- en buigmomentspanningen).

Lijfpaneel op afschuiving

De dikte van het kolomlijf is ontworpen als maximaal klasse 3; zie EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1(1). Twee bijdragen aan de belastingscapaciteit worden beschouwd: de weerstand van de kolomwand op afschuiving en de bijdrage van het raamgedrag van de kolomflensen en horizontale verstijvers; zie EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 en 6.8).

Kolomlijf op dwarse druk of trek

Het effect van de interactie met de afschuifbelasting wordt in rekening gebracht; zie EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2 en Tab. 6.3. De invloed van de langsspanning in de wand van de kolom wordt in rekening gebracht; zie EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Horizontale verstijvers voorkomen knik en worden met de effectieve oppervlakte meegenomen in de belastingscapaciteit van deze component.

Liggerflens op druk

De horizontale ligger is ontworpen als maximaal klasse 3.

Kolomflens of kopplaat op buiging

Effectieve lengten voor cirkelvormige en niet-cirkelvormige bezwijkmechanismen worden in rekening gebracht conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6. Drie bezwijkmodi conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.4.1 worden beschouwd.

Bouten

Bouten zijn ontworpen conform EN 1993-1-8:2005, Cl. 3.6.1. De rekenwaarde van de weerstand houdt rekening met de doorstempelweerstand en het afscheuren van de bout.

Numeriek rekenmodel

De T-stub is gemodelleerd met 4-knooppunt schaalelementen zoals beschreven in Hoofdstuk 3 en hieronder samengevat. Elk knooppunt heeft 6 vrijheidsgraden. De vervormingen van het element bestaan uit membraan- en buigbijdragen. De niet-lineaire elastisch-plastische materiaaltoestand wordt onderzocht in elke laag van het integratiepunt. De beoordeling is gebaseerd op de maximale rek conform EN 1993-1-5:2006 met een waarde van 5 %. Bouten zijn onderverdeeld in drie subcomponenten. De eerste is de boutschacht, gemodelleerd als een niet-lineaire veer die uitsluitend trek opneemt. De tweede subcomponent draagt de trekkracht over naar de flensen. De derde subcomponent lost de afschuifoverdracht op.

Globaal gedrag

Een vergelijking van het globale gedrag van de verbinding, beschreven door moment-rotatiegrafieken voor beide hierboven genoemde rekenmethoden, is uitgevoerd. De aandacht was gericht op de belangrijkste kenmerken van het moment-rota­tiediagram: beginverstijving, rekenwaarde van de weerstand en vervormingscapaciteit. Ligger IPE 330 is verbonden met kolom HEB 300 via een verlengde kopplaat met 5 boutrijen M24 8.8. De resultaten van beide rekenmethoden zijn weergegeven in de grafiek in Fig. 9.2.2 en in Tab. 9.2.1. De componentenmethode (CM) geeft over het algemeen een hogere beginverstijving dan CBFEM. CBFEM geeft in alle gevallen een iets hogere rekenwaarde van de weerstand dan CM, zoals weergegeven in Hoofdstuk 9.2.5. Het verschil bedraagt maximaal 10%. De vervormingscapaciteit wordt eveneens vergeleken. De vervormingscapaciteit is berekend conform (Beg et al. 2004), omdat EC3 slechts beperkte achtergrond biedt voor de vervormingscapaciteit van kopplaatverbindingen.

Fig. 9.2.2 Moment-rota­tiediagram

Tab. 9.2.1 Overzicht globaal gedrag

Verificatie van de weerstand

De rekenwaarde van de weerstand berekend met CBFEM is in de volgende stap vergeleken met de resultaten van de componentenmethode. De vergelijking was gericht op zowel de weerstand als de maatgevende component. De studie is uitgevoerd voor de parameter kolomdoorsnede. Ligger IPE 330 is verbonden met de kolom via een verlengde kopplaat met 5 boutrijen. Bouten M24 8.8 worden toegepast. De afmetingen van de kopplaat P15 met boutrandafstanden en tussenafstanden in millimeters zijn: hoogte 450 (50-103-75-75-75-73) en breedte 200 (50-100-50). De buitenrand van de bovenflens bevindt zich 91 mm van de rand van de kopplaat. De liggerflensen zijn verbonden met de kopplaat door lassen met een keeldikte van 8 mm. Het liggerlijf is verbonden met een laskeeldikte van 5 mm. De kolom is verstijfd met horizontale verstijvers tegenover de liggerflensen. De verstijvers zijn 15 mm dik en hun breedte komt overeen met de kolombreedte. De dikte van de kopplaatverstijver is 10 mm en de breedte is 90 mm. De resultaten zijn weergegeven in Tab. 9.2.2 en Fig. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Rekenwaarde van de weerstand voor parameter – kolomprofiel

Fig. 9.2.3 Rekenwaarde van de weerstand afhankelijk van de kolomdoorsnede

Ter illustratie van de nauwkeurigheid van het CBFEM-model zijn de resultaten van de parametrische studies samengevat in de grafiek die de weerstanden vergelijkt zoals voorspeld door CBFEM en door CM; zie Fig. 9.2.4. De resultaten tonen aan dat CBFEM in vrijwel alle gevallen een iets hogere rekenwaarde van de weerstand geeft dan CM. Het verschil tussen beide methoden bedraagt maximaal 10%.

Fig. 9.2.4 Verificatie van CBFEM ten opzichte van CM

Benchmarkvoorbeeld

Invoergegevens

• Staal S235
• Ligger IPE 330
• Kolom HEB 300
• Kopplaathoogte h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Kopplaatbreedte b_p = 200 (50-100-50) mm
• Kopplaat P15
• Kolomverstijvers 15 mm dik en 300 mm breed
• Kopplaatverstijver 10 mm dik, 90 mm breedte en hoogte, vellingen 20 mm 
• Flenslas keeldikte a_f = 8 mm
• Lijf- en kopplaatverstijverlas keeldikte a_w = 5 mm
• Bouten M24 8.8

Uitvoergegevens

• Rekenwaarde van de buigweerstand M_Rd = 206 kNm
• Bijbehorende verticale afschuifkracht V_Ed= –206 kN
• Bezwijkmodus: vloeien van de liggerverstijver op de bovenflens
• Benuttingsgraad van de bouten 90,2 %
• Benuttingsgraad van de lassen 99,0 %