Over vakwerkconstructies
Het globale model is overwegend opgebouwd uit vakwerkelementen die alleen trek en druk opnemen. Buiging en afschuiving in de staven zijn daardoor volledig onderdrukt. Vanuit het perspectief van de Eindige Elementen Methode wordt de stijfheidsmatrix gedomineerd door axiale termen. Buig- en afschuifvrijheidsgraden (DOF's) vervallen.
- Zet buiging om in axiale krachten
- Maximaliseer de materiaalbenutting
- Zorg voor duidelijke krachtsafdracht
- Maak grote overspanningen mogelijk
- Vereenvoudig de stabiliteitsbeoordeling
Globaal model
Het uitkragende vakwerksysteem is bevestigd aan de prefab betonkolom. De vakwerkconstructie is via een paar scharnierende verbindingen gekoppeld aan een ligger. Alle krachten worden overgedragen via ankers op trek en afschuiving en via beton op druk.
01) Globaal vakwerkmodel en duidelijke krachtsafdracht
Checkbot
Dit type constructies wordt in Checkbot geïmporteerd met gepaarde of meervoudige knopen. Deze kunnen door hun aard niet als set naar IDEA StatiCa Connection worden geëxporteerd. In de eerste stap wordt de knoop van de bovenrand verwijderd. De staaf van de bovenrand is dan niet meer gekoppeld aan een bestaande knoop en moet worden verbonden met de knoop van de onderrand. Deze knoop voegt de diagonaal en de staven van de onderrand samen. Na afronding van dit proces zijn alle staven verenigd in één hoofdknoop. Zo kunnen meerdere staven effectiever worden aangestuurd met de offset-assemblage.
02) Checkbot-model + samenvoegen van staven tot één knoop
IDEA StatiCa Connection
Het opgebouwde model bestaat uit een reeks dubbele L-profielen. De boven- en onderrand van het vakwerk zijn verbonden met de prefab kolom via ingestorte ankerplaten. Een voetplaat en een vooraf gelaste schetsplaat completeren de aansluiting en maken een efficiënte montage op de bouwplaats mogelijk.
03) Beschrijving van het ontworpen verankeringsmodel
In de globale analyse wordt doorgaans aangenomen dat axiale krachten door het zwaartepunt van de doorsnede werken. Als de boutgroep in de werkelijke verbinding niet is uitgelijnd met het zwaartepunt van de doorsnede, ontstaat er echter een excentriciteit. Deze excentriciteit veroorzaakt secundaire buigende momenten in de aangesloten staven.
Zulke effecten worden in een standaard globaal EEM-model niet meegenomen, tenzij de geometrie van de verbinding en de lastinleiding expliciet worden gemodelleerd. In de praktijk uit het extra moment door de excentriciteit van de axiale kracht zich als een hogere buigspanning. Deze draagt vervolgens bij aan de uiteindelijke von Mises-spanning in de gedetailleerde beoordeling van de verbinding.
Voor de onderzochte vakwerkconfiguratie geeft de randvoorwaarde N–Vy–Vz een realistischer beeld van de krachtsoverdracht. Deze uitspraak is geen algemene aanbeveling voor alle vakwerksystemen, maar een conclusie die specifiek geldt voor deze constructieve opzet.
Deze randvoorwaarden onderdrukken de rotatievervorming in de verbinding, wat leidt tot resterende reactiemomenten. Bovendien verhindert de verticale diagonaal de buiging van de rand. Dit versterkt de aanname dat de randvoorwaarde N–Vy–Vz het werkelijke gedrag van de verbinding in dit geval beter weergeeft.
Vanuit het perspectief van de verbindingsmechanica wordt deze randvoorwaarde daarom beschouwd als dichter bij de fysieke werkelijkheid.
04) Ingeklemde randen en diagonalen
Het draadmodel toont de krachtsafdracht en de zwaartepuntlijnen van elke doorsnede.
05) Draadmodel en duidelijke krachtsafdracht
De visualisaties van de vervormde vorm en de spanningen geven inzicht en dienen als plausibiliteitscontrole of de belastingen correct zijn aangebracht. De trek in de bovenrand en de druk in de onderrand geven aan dat het vervangende model goed werkt.
06) Normtoetsingen en vervormde vorm
De interactie van krachten wordt in het betonblok niet meegenomen vanwege vereenvoudigde aannames die gelden voor het betonmedium in de Connection applicatie. De benuttingsgraad is slechts 38% en de ankertoetsing faalt. Waarom gebeurt dit?
Ter info:
Ankergroepen bij afzonderlijke voetplaten beïnvloeden elkaar in één betonblok. Dit valt buiten het bereik van de normen voor het ontwerp van verankeringen. Het uitbreken van het beton op trek en het uitbreken door wrikken (pryout) worden niet getoetst. Het bezwijken van de betonrand wordt niet getoetst. (CEB-FIB: Bulletin 58 - Design of anchorages in concrete (2011) – Hoofdstuk 1.2: Figuur 1.2-8 en Figuur 1.2-9) .
Het verwijst de gebruiker naar de normtoetsing in 3D Detail, omdat de norm voor de bovengenoemde opzet tekortschiet.
07) Waarom falen de ankers?
Knik moet altijd worden getoetst wanneer een verbinding wordt onderzocht. De knikvorm en de knikfactor worden gegeven als indicatoren van de veiligheidsmarge. Zo kan de vorm worden bepaald die het eerst instabiel wordt.
Dit heeft betrekking op lineaire knikanalyse, waarbij het contact tussen de schetsplaat en de benen van de dubbele L-profielen wordt geopend.
Open contact (spleet):
Als platen in de evenwichtstoestand van elkaar gescheiden zijn:
- Is het contact niet actief
- Wordt er geen stijfheidsbijdrage toegevoegd
- Bewegen de oppervlakken onafhankelijk van elkaar in de knikvorm
Gevolgen voor praktische staalverbindingen:
In veel staalverbindingen:
- schetsplaten
- hoekprofielen
- boutgaten
- sluitringen
Contacten zijn in de evenwichtstoestand slechts gedeeltelijk actief.
Daarom in LBA:
- Dragen alleen de momenteel gedrukte zones bij aan de stijfheid
- Worden mogelijke toekomstige contacten genegeerd
Dit kan leiden tot:
- lokale penetratie in eigenvormen
- te flexibele knikvormen
- onrealistische vervormingspatronen.
Dit is geen bug, maar een fundamentele beperking van eigenwaarde-knikanalyse met contact.
08) Lineaire knikvormen en kritieke factor
IDEA StatiCa 3D Detail
Om de ontwerplus te sluiten en voor alle onderdelen een bevredigende oplossing te bereiken, inclusief de prefab betonkolom, is het essentieel om rekening te houden met de bestaande wapeningsopbouw. Het systeem moet worden beoordeeld met inachtneming van de interactie tussen ankers en wapeningsstaven.
Het mechanisme van krachtsoverdracht eindigt niet bij de voetplaat. Ankerkrachten moeten via aanhechting, omsnoering en staafwerkwerking worden herverdeeld in het gewapend betonnen element. Daarom moet de wapening expliciet in het verificatiemodel worden opgenomen.
Met de BIM-koppeling vanuit IDEA StatiCa Connection verloopt de gegevensoverdracht eenvoudig en efficiënt. De volgende informatie kan rechtstreeks worden geïmporteerd:
- Geometrie van de betonkolom
- Configuratie van voetplaat en ankers
- Resulterende krachten in ankers en lassen
Dit versnelt de weg naar de definitieve normtoetsing aanzienlijk.
Om een fysiek consistente beoordeling te verkrijgen, moeten de verplichte onderdelen, met name de wapeningsopbouw en realistische randvoorwaarden, echter worden gedefinieerd in het 3D Detail-model (CSFM). Alleen dan kan het samenwerkende gedrag van beton en wapening correct worden beoordeeld. Ook brosse bezwijkvormen (bijv. het uitbreken van het beton) kunnen dan worden beoordeeld in de context van een gewapend systeem.
Het systeem van vooraf gedefinieerde krachtvectorvelden, afgeleid uit de Connection applicatie, garandeert een zinvolle herverdeling van de spanningen onder de voetplaat.
09) Wapening, randvoorwaarden + krachtsverdeling
Een plausibiliteitscontrole en een visuele inspectie zijn nodig om te garanderen dat het model zich gedraagt zoals verwacht. De drukspanningsstroom vertoont het verwachte gedrgedrag en de wapeningsspanning waarborgt de veiligheid van het ontwerp.
10) Samenvattende toetsing, spanningsstroom
De vervormde vorm moet de eerste uitvoer zijn en wordt gebruikt om de juistheid van de randvoorwaarden te controleren. De vervormde vorm geeft het verwachte gedrag weer.
11) Spanningstoestand van de ankers, vervormde vorm
Conclusie en belangrijkste punten
Vakwerkmodel = axiale idealisatie
Efficiënt voor de globale krachtsafdracht (alleen trek/druk), maar buigings- en afschuifeffecten zijn onderdrukt en moeten op verbindingsniveau worden behandeld.
Het zwaartepuntsuitgangspunt is cruciaal
Een afwijking tussen de boutgroep en het zwaartepunt van de doorsnede veroorzaakt secundaire buiging die niet wordt meegenomen in de globale EEM-analyse. Dit moet worden gecontroleerd in een gedetailleerd verbindingsontwerp.
Randvoorwaarden bepalen de werkelijkheid
Voor dit geval geeft de randvoorwaarde N–Vy–Vz het gedrag van de verbinding beter weer. Rotatiebeperking en diagonaalwerking hebben een aanzienlijke invloed op de respons van de rand.
Ankertoetsingen in ongewapend beton zijn conservatief
Vereenvoudigde aannames in de norm kunnen op bezwijken wijzen. De werkelijke capaciteit hangt af van de interactie met de wapening en de herverdeling van krachten in het betonnen element.
Wapening sluit de cirkel
Het krachtenverloop gaat verder voorbij de voetplaat. Alleen een 3D Detail-model (CSFM) met wapening en realistische randvoorwaarden geeft het samenwerkende gedrag weer en voorkomt brosse bezwijkvormen.
Controleer altijd de vervormde vorm
Als de vervorming overeenkomt met het constructieve inzicht, geeft het model waarschijnlijk het fysieke gedrag weer.
