Interne krachten in de staalverbindingen

De eindkrachten van een staaf van het raamanalysemodel worden overgedragen naar de uiteinden van staafgedeelten. Excentriciteiten van de staven veroorzaakt door het verbindingsontwerp worden in aanmerking genomen tijdens de overdracht.

Het analysemodel dat is gemaakt met de CBFEM-methode komt zeer nauwkeurig overeen met de werkelijke verbinding, terwijl de analyse van interne krachten wordt uitgevoerd op een sterk geïdealiseerd 3D EEM-staafmodel, waarbij afzonderlijke balken worden gemodelleerd met hartlijnen en de verbindingen worden gemodelleerd met immateriële knopen.

Verbinding van een verticale kolom en een horizontale balk

De interne krachten worden geanalyseerd met behulp van 1D-staven in het 3D-model. In de volgende figuur is een voorbeeld van de interne krachten weergegeven.

Interne krachten in horizontale balk; M en V zijn de eindkrachten in de verbinding

De effecten die een staaf op de verbinding uitoefent, zijn belangrijk voor het ontwerpen van de verbinding. De effecten zijn geïllustreerd in de volgende figuur:

Effecten van de staaf op de verbinding; het CBFEM-model is weergegeven in donkerblauw

Moment M en dwarskracht V werken in het theoretische verbindingspunt. Het theoretische verbindingspunt bestaat niet in het CBFEM-model, waardoor de belasting hier niet kan worden aangebracht. Het model moet worden belast door de krachten M en V, die moeten worden overgebracht naar het uiteinde van het segment op afstand r

M_c = M – V ∙ r

V_c = V

In het CBFEM-model wordt de eindsnede van het segment belast door moment M_c en kracht V_c.

Bij het ontwerpen van de verbinding moet de werkelijke positie ten opzichte van het theoretische verbindingspunt worden bepaald en in aanmerking worden genomen. De interne krachten op de positie van de werkelijke verbinding wijken doorgaans af van de interne krachten in het theoretische verbindingspunt. Dankzij het nauwkeurige CBFEM-model wordt het ontwerp uitgevoerd op gereduceerde krachten – zie moment M_r in de volgende figuur:

Buigend moment op het CBFEM-model: de pijl wijst naar de werkelijke positie van de verbinding

Bij het belasten van de verbinding moet er rekening mee worden gehouden dat de oplossing van de werkelijke verbinding moet overeenkomen met het theoretische model dat is gebruikt voor de berekening van de interne krachten. Dit is het geval voor stijve verbindingen, maar de situatie kan volledig anders zijn voor scharnieren.

Positie van het scharnier in het theoretische 3D EEM-model en in de werkelijke constructie

Uit de vorige figuur blijkt dat de positie van het scharnier in het theoretische 1D-stavenmodel afwijkt van de werkelijke positie in de constructie. Het theoretische model komt niet overeen met de werkelijkheid. Bij het toepassen van de berekende interne krachten wordt een aanzienlijk buigend moment aangebracht op de verschoven verbinding, waardoor de ontworpen verbinding te groot wordt of helemaal niet kan worden ontworpen. De oplossing is eenvoudig: beide modellen moeten overeenkomen. Ofwel moet het scharnier in het 1D-stavenmodel op de juiste positie worden gedefinieerd, ofwel moet de dwarskracht worden verschoven om een nulmoment te verkrijgen op de positie van het scharnier.

Verschoven verdeling van het buigend moment op de balk: het nulmoment bevindt zich op de positie van het scharnier

De verschuiving van de dwarskracht kan worden gedefinieerd in de tabel voor de definitie van de interne kracht.

De locatie van het belastingseffect heeft een grote invloed op het correcte ontwerp van de verbinding. Om alle misverstanden te vermijden, bieden we de gebruiker de mogelijkheid om te kiezen uit drie opties – Node / Bolts / Position.

Merk op dat bij het selecteren van de Node-optie de krachten worden aangebracht aan het uiteinde van een geselecteerde staaf, wat doorgaans het theoretische knoop is, tenzij de offset van de geselecteerde staaf is ingesteld in de geometrie.

Belastingen importeren vanuit EEM-programma's

IDEA StatiCa maakt het mogelijk om interne krachten te importeren vanuit externe EEM-programma's. EEM-programma's gebruiken een enveloppe van interne krachten uit combinaties. IDEA StatiCa Connection is een programma dat staalverbindingen niet-lineair oplost (elastisch/plastisch materiaalmodel). Daarom kunnen de enveloppecombinatiesn niet worden gebruikt. IDEA StatiCa zoekt naar extremen van interne krachten (N, V_y, V_z, M_x, M_y, M_z) in alle combinaties aan de uiteinden van alle staven die zijn verbonden met de verbinding. Voor elke dergelijke extreme waarde worden ook alle andere interne krachten uit die combinatie in alle overige staven gebruikt. IDEA StatiCa bepaalt de maatgevende combinatie voor elk onderdeel (plaat, las, bout, enz.) in de verbinding.

De gebruiker kan deze lijst van belastinggevallen aanpassen. Hij kan werken met combinaties in de wizard (of BIM), of hij kan bepaalde gevallen rechtstreeks verwijderen in IDEA StatiCa Connection.

Waarschuwing!

Bij de import moet rekening worden gehouden met ongebalanceerde interne krachten. Dit kan optreden in de volgende gevallen:

• Er is een knooppuntkracht aangebracht op de positie van het onderzochte knoop. De software kan niet detecteren welke staaf deze knooppuntkracht moet overdragen en houdt er daarom geen rekening mee in het analysemodel. Oplossing: Gebruik geen knooppuntkrachten in de globale analyse. Indien nodig moet de kracht handmatig worden toegevoegd aan een geselecteerde staaf als normaalkracht of dwarskracht.
• Een belaste, niet-stalen (doorgaans houten of betonnen) staaf is verbonden met het onderzochte knoop. Een dergelijke staaf wordt niet meegenomen in de analyse en de bijbehorende interne krachten worden genegeerd. Oplossing: Vervang de betonnen staaf door een betonblok met verankering.
• Het knoop maakt deel uit van een plaat of een wand (doorgaans van beton). De plaat of de wand maakt geen deel uit van het model en de bijbehorende interne krachten worden genegeerd. Oplossing: Vervang de betonnen plaat of wand door een betonblok met verankering.
• Sommige staven zijn via stijve koppelingen verbonden met het onderzochte knoop. Dergelijke staven zijn niet opgenomen in het model en hun interne krachten worden genegeerd. Oplossing: Voeg deze staven handmatig toe aan de lijst van verbonden staven.
• Seismische belastinggevallen worden geanalyseerd in de software. De meeste EEM-programma's bieden modale analyse aan om seismiciteit op te lossen. De resultaten van interne krachten van seismische belastinggevallen geven doorgaans alleen enveloppes van interne krachten in sneden. Vanwege de evaluatiemethode (vierkantswortel van de som van kwadraten – SRSS) zijn de interne krachten allemaal positief en is het niet mogelijk de krachten te vinden die overeenkomen met het geselecteerde extreme. Het is niet mogelijk een evenwicht van interne krachten te bereiken. Oplossing: Wijzig het positieve teken van sommige interne krachten handmatig.