Doorgaande bouten in holle profielen: ontwerp ze als pennen, niet als bouten

Een benchmark in IDEA StatiCa Connection toont het gevolg: dezelfde M16 8.8-bout voldoet aan de standaard boutcontrole, maar faalt wanneer deze als pen wordt gemodelleerd. Hieronder staat waarom dat zo is en hoe u doorgaande bouten correct ontwerpt.

IDEA StatiCa Connection kan vrijwel elke geometrie van een verbinding modelleren en analyseren. Sommige verbindingen zijn echter niet-standaard: de algemene boutcontroles van de geïmplementeerde normen beschrijven hun gedrag niet nauwkeurig. Een typisch voorbeeld is een kokerprofiel, meestal een RHS of SHS, dat met doorgaande bouten is verbonden. Dit zijn lange bouten of draadeinden die door beide wanden van het profiel lopen, waarbij de kop en de moer op de buitenvlakken steunen.

Doorgaande bouten zijn een alternatief voor blindbouten, Hollo-Bolts, flow-drilled bouten en andere speciale bevestigingsmiddelen voor eenzijdige montage. Ze zijn gemakkelijk te verkrijgen: een draadeind, moeren en ringen zijn alles wat nodig is. Hun mechanica verschilt echter op drie punten van een conventionele boutverbinding.

Fig. 1 Verbindingen met een HSS-wand: bouten in één wand (links) en doorgaande bouten door beide wanden (rechts). Bron: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Belangrijkste punten

• Een doorgaande bout zonder huls moet in het model als pen worden gemodelleerd en niet als bout worden geclassificeerd.
• Niet-voorgespannen bouten met een strak aansluitende interne huls kunnen als standaardbouten worden gemodelleerd, mits de huls buiging voorkomt.
• Als de huls niet aansluit op de bouten en er opzettelijk speling is, modelleer de bouten dan als pennen.
• Het is belangrijk op te merken dat wrijvingsbouten voor dit type verbinding in IDEA StatiCa Connection niet zijn toegestaan.

Drie verschillen tussen een doorgaande bout en een bout

1. De bout kan in een niet-verstevigd kokerprofiel niet worden voorgespannen

Bij het aandraaien van de bout worden beide wanden met een puntlast naar binnen gedrukt. De slappe vlakken van het kokerprofiel vervormen in plaats van samen te klemmen. Doorgaande bouten zijn daarom beperkt tot stuikverbindingen met handvast aangedraaide bouten. Zelfs handvast aandraaien, ongeveer 10 % van de minimale voorspankracht volgens AISC 360-16 Tabel J3.1, moet bij dunwandige profielen zorgvuldig gebeuren, zodat de wanden niet worden platgedrukt. Door de holle ruimte in de staaf kan handvast aandraaien bovendien niet alle platen stevig met elkaar in contact brengen.

Fig. 2 Mogelijke vervorming van de HSS-wand wanneer doorgaande bouten volledig worden voorgespannen. Bron: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. De bout gedraagt zich als pen, niet als bout

De platen worden niet samengeklemd en zijn mogelijk niet in contact. De schacht wordt daarom belast op afschuiving en buiging, en de standaardcontrole op boutafschuiving alleen geeft zijn gedrag niet weer. De doorgaande bout moet als pen worden ontworpen, met controles van:

• afschuiving,
• buiging,
• interactie afschuiving-buiging.

3. De stuikweerstand van de verbonden platen is verlaagd

De kop en de moer steunen alleen op de buitenzijde van de wand van het kokerprofiel, niet op zowel de buiten- als de binnenzijde zoals bij een conventionele boutverbinding. De klemlengte is niet tegen uitzetting verhinderd, waardoor de platen rond het gat niet zijn ingeklemd en lokaal kunnen plooien. De stuikweerstand is die van een pen, niet van een bout. Dit geldt zowel voor de wand van het kokerprofiel als voor de verbonden plaat.

Normatieve achtergrond

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) in AISC 360-16). Bouten die volledig door een niet-verstevigd HSS-profiel lopen, worden verwezen naar de penstuikcontrole in §J7:

Rn = 1,8·Fy·Apb, φ = 0,75, Apb = d·tdesign (J7-1)

“Niet-verstevigd” betekent hier een wand die niet aan beide zijden is ingeklemd door een boutkop en moer en die niet is verstevigd door vulling of wapening. De afschuiving van de bout (Vgl. J3-1) en de overige grenstoestanden van de verbonden staaf worden gecontroleerd zoals gebruikelijk. AISC 360-16 behandelde het uitscheuren bij doorgaande bouten niet; in AISC 360-22 dekt dezelfde paragraaf het uitscheuren van bouten. Voor bouten met een kleine onderlinge afstand of bouten nabij het uiteinde van een staaf is een rationele benadering vereist.

EN 1993-1-8. Er is geen specifieke procedure. Naar analogie met AISC worden de penregels van Tabel 3.10 toegepast:

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (stuik)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (buiging)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (interactie afschuiving-buiging)

Doorgaande bouten met huls zijn het geval waarin de bout binnen het kokerprofiel door een afstandsbuis loopt met een strakke binnendiameter, gelijk aan die van standaard boutgaten. De buis voorkomt vervorming van de wanden van het kokerprofiel wanneer er een trek kracht in de bout optreedt. De afzonderlijke platen worden dan samengeklemd, vergelijkbaar met een standaard boutverbinding. De bout kan zelfs volledig worden voorgespannen (CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). In de praktijk wordt de buis meestal als huls in het profiel gelast (Dutta et al. 1998; McCormick 2017). De verbinding gedraagt zich dan meer als een conventionele boutverbinding dan als een penverbinding (McCormick 2017).

Fig. 3 HSS-hulsversterking bij doorgaande bouten. Bron: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Benchmarkgeval

Boutverbinding: gedrag van een standaardbout

De gelaste SHS 110×110×10 mm is vervaardigd uit staal S355 en met een standaard M16 8.8-bout door het profiel aan een plaat van 8 mm bevestigd. De bout is gemodelleerd met het boutttype “Stuik – interactie trek/afschuiving”, met het afschuifvlak in de draad. Het model wordt uitsluitend belast door een normaalkracht van 40 kN in de verbonden plaat. Deze kracht belast de bout op afschuiving (V = 40 kN) en veroorzaakt een dwarskracht en een torsiemoment in de SHS.

Fig. 4 Het benchmarkmodel in IDEA StatiCa Connection met de doorgaande bout gemodelleerd als standaardbout: de kracht van 40 kN in de plaat, de uiteindkrachten van de SHS en de instellingen van het bevestigingsmiddel (M16 8.8, afschuifvlak in de draad, stuik – interactie trek/afschuiving).

Boutcontrole volgens EN 1993-1-8

De dwarskracht wordt vrijwel volledig opgenomen door het eerste afschuifvlak (40,0 kN). De restdwarskracht in het tweede afschuifvlak is verwaarloosbaar (1,56 kN), zodat de tweede wand nauwelijks meewerkt. De bout voldoet met een benuttingsgraad voor interactie trek–afschuiving van 69,4 %, bepaald door de benuttingsgraad op afschuiving van 66,3 %.

Het rapport voegt echter een waarschuwing toe: er is een spleet tussen de verbonden platen, buiging in de bout wordt in het numerieke model niet in rekening gebracht en de platen zijn niet samengeklemd. De weerstanden van de bout op afschuiving en van de platen op stuik kunnen daarom onjuist zijn. Dit is het eerste signaal dat uw aandacht vereist.

Fig. 5 Boutcontrole volgens EN 1993-1-8 (M16 8.8): F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN in de twee afschuifvlakken, F_b,Rd = 116,15 kN, benuttingsgraad 4,3 % op trek, 66,3 % op afschuiving en 69,4 % op interactie, met de waarschuwing die wordt afgegeven voor verbindingen met doorgaande bouten.

Een equivalent liggermodel van de bout maakt de resultaten eenvoudig te interpreteren. Het toont de snedekrachten en de spanningsverdeling over de boutlengte en geeft dezelfde benuttingsgraad op afschuiving, waardoor het een eenvoudige nauwkeurigheidscontrole vormt.

Fig. 6 Equivalent liggermodel van de bout: V = 40 kN ter plaatse van het eerste afschuifvlak, afschuifspanning 4V/3A = 339,6 MPa en benuttingsgraad op afschuiving 0,66 ten opzichte van V_Rd = 60,31 kN. Het bevestigt de snedekrachten en de benuttingsgraad onafhankelijk van IDEA StatiCa.

Boutverbinding: gedrag als pen

Hetzelfde model wordt nu opgebouwd met het bevestigingsmiddel “Pen”. Het penelement neemt de dwarskracht en het buigend moment op. Het brengt geen normaalkracht over.

Fig. 7 Het benchmarkmodel met de doorgaande bout gemodelleerd als pen (door de gebruiker gedefinieerde D16-pen door de plaat en beide SHS-wanden): de kracht van 40 kN in de plaat en de uiteindkrachten van de SHS.

Pencontrole volgens EN 1993-1-8

Buiging van de pen heeft de grootste invloed op het gedrag: alleen al veroorzaakt deze een benuttingsgraad van 90,9 %. De stuikweerstand daalt bovendien met ongeveer 41 % ten opzichte van de boutbenadering (68,2 kN tegenover 116,2 kN). Buiging in combinatie met de dwarskracht maakt de pencontrole onvoldoende: de interactie afschuiving–buiging bereikt 109,5 %, en de pen faalt. Het buigend moment is maximaal op de plaats waar de pen het kokerprofiel binnenkomt.

Fig. 8 Pencontrole (door de gebruiker gedefinieerde D16-pen, f_yp = 640 MPa): F_v,Ed = 39,99 kN, M_Ed = 0,35 kNm, F_v,Rd = 77,21 kN, F_b,Rd = 68,16 kN, M_Rd = 0,39 kNm; benuttingsgraad op afschuiving 58,7 %, op buiging 90,9 % en op interactie 109,5 %. De buigweerstand volgt uit EN 1993-1-8, Tabel 3.10.

Resultaten van het equivalente liggermodel (pen)

Het analytische model kan worden opgebouwd volgens de regels in het kennisbankartikel van IDEA StatiCa Steel pins.

Het analytische liggermodel komt goed overeen met het model in IDEA StatiCa Connection. In Connection wordt de belasting gelijkmatig verdeeld over de dikte van de plaat die de pen belast; het equivalente model gebruikt in plaats daarvan een conservatieve puntlast. Dit veroorzaakt kleine verschillen tussen de snedekrachten en benuttingsgraden van de twee modellen, waardoor het liggermodel een nuttige nauwkeurigheids- en plausibiliteitscontrole vormt.

De benuttingsgraad op afschuiving van 58,7 % wordt bepaald door de penstuikcontrole van de verbonden plaat, niet door afschuiving van de pen zelf (51,8 %). Buiging (0,93) en de interactie afschuiving–buiging (1,14) zijn in het equivalente liggermodel iets hoger vanwege de puntlast. De pen gedraagt zich zoals verwacht.

Fig. 9 Equivalent liggermodel van de doorgaande bout gemodelleerd als pen: V = 40 kN ter plaatse van het eerste afschuifvlak, M = 0,36 kNm op de plaats waar de pen de SHS-wand binnenkomt, benuttingsgraad op buiging 0,93 ten opzichte van M_Rd = 0,386 kNm, interactie 1,14. Penstuik: 0,59 op de verbonden plaat, 0,52 en 0,05 op de twee SHS-wanden.

Model met vervaardigde interne hulzen

McCormick (2017) beschrijft de huls als een van de meest gebruikelijke manieren om een verbinding met doorgaande bouten te verbeteren:

“Een van de meest gebruikelijke methoden om het gedrag van verbindingen met doorgaande bouten te verbeteren, is het aanbrengen van een huls (of rond buisje) waar de doorgaande bout doorheen loopt. De huls wordt aangebracht door een gat in het HSS-profiel te boren, een huls te plaatsen met een binnendiameter gelijk aan de diameter van een standaardgat voor de doorgaande bout, en de huls vervolgens op zijn plaats te lassen (Dutta et al. 1998). De huls maakt het voorspannen van de bout mogelijk en voorkomt tegelijkertijd vervorming van de HSS-wand. Hierdoor gedraagt de verbinding met doorgaande bouten zich meer als een boutverbinding dan als een penverbinding.” (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Fig. 10 RHS/SHS-staaf vervaardigd met interne hulzen.

Hulzen in IDEA StatiCa: niet-voorgespannen bouten

Als de gelaste huls in de RHS/SHS wordt gemodelleerd en de bout niet is voorgespannen, mag de doorgaande bout in IDEA StatiCa als standaardbout worden gemodelleerd, volgens het bovenstaande artikel en de bijbehorende referenties. De huls moet de bout nauwkeurig insluiten om het standaardboutmodel geldig te laten zijn. Zodra er speling is tussen de huls en de bout, valt de bout terug op penge­drag.

• Zelfs wanneer de huls wordt gemodelleerd met de bewerking “Verstijvende staaf”, toont het rapport nog steeds de waarschuwing dat buiging in de bout niet in rekening wordt gebracht. 
• De stuikcontrole wordt uitgevoerd op de verbonden platen

Fig. 11 RHS/SHS-verbinding vervaardigd met een interne huls en een niet-voorgespannen M16 8.8-bout: controle van de stuikweerstand volgens EN 1993-1-8 Tabel 3.4 en de waarschuwing over de spleet tussen de verbonden platen.

Hulzen in IDEA StatiCa: wrijvingsbouten

IDEA StatiCa Connection staat in dit model geen wrijvingsbouten (slipvaste bouten) toe. De analyse stopt met de melding “Bouten van het wrijvingstype kunnen niet worden gebruikt als er een spleet tussen de platen is”. Hier is een reden voor:

• In het model wordt de voorspanning niet overgebracht op de huls. De bout is in afschuiving verstijfd en de tangentiële krachten van de bout werken op het gat in trek en druk, maar in axiale richting gedraagt de bout zich als een standaardbout en ontstaat er geen voorgespannen toestand. De huls wordt niet door de voorspanning samengedrukt, waardoor de resulterende spanningstoestand misleidend zou zijn.

Fig. 12 RHS/SHS-verbinding vervaardigd met een interne huls en een voorgespannen (wrijvings)bout: de analyse meldt dat bouten van het wrijvingstype niet kunnen worden gebruikt als er een spleet tussen de platen is.

Conclusie

• Een doorgaande bout zonder huls is een pen, geen bout. Deze kan niet worden voorgespannen, de platen worden niet samengeklemd en de schacht werkt op afschuiving en buiging.
• De standaard boutcontrole is hier onveilig. In de benchmark (SHS 110×110×10, plaat van 8 mm, M16 8.8, 40 kN) voldoet de boutcontrole met 69,4 %. De pencontrole faalt met 109,5 % op interactie afschuiving–buiging, waarbij buiging alleen 90,9 % bedraagt.
• Lees de waarschuwing in het rapport. IDEA StatiCa Connection signaleert de spleet tussen de platen: buiging in de bout wordt niet in rekening gebracht en de weerstanden van de bout op afschuiving en van de plaat op stuik kunnen onjuist zijn.
• De stuikweerstand daalt met ongeveer 41 %. Penstuik op de plaat van 8 mm geeft 68,2 kN tegenover 116,2 kN voor boutstuik.
• Modelleer de bout als pen in IDEA StatiCa Connection en wijs de boutkwaliteit toe aan het penmateriaal. De pen neemt geen axiale kracht op, dus controleer indien nodig de effecten van trek apart.
• Een gelaste huls herstelt het boutgedrag. Met een strak aansluitende huls kan de doorgaande bout als standaard stuikbout worden gemodelleerd. Wrijvingsbouten (voorgespannen bouten) kunnen in IDEA StatiCa Connection niet worden geanalyseerd wanneer er een spleet tussen de platen is.

Referenties

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

De auteurs van het artikel: Lukas Juricek, Pavel Kalab en Martin Vild