Zijdelingse torsiebuiging

Toen je op de universiteit voor het eerst de term "zijdelingse torsiebuiging" (lateral-torsional buckling) hoorde, had je als student niet echt een idee van het belang van dit fenomeen. Maar al snel begreep je hoe belangrijk dit onderwerp is!

Wat is zijdelingse torsiebuiging en wat is de oorzaak?

Zijdelingse torsiebuiging (tateral torsional buckling, LTB) is de vervorming van een niet-gespannen ligger ten gevolge van de uitgeoefende belastingen buiten zijn lengteas - zowel zijdelingse verplaatsing als torsie.

Niet-gespannen stalen liggers zijn liggers waarvan de drukflens vrij kan bewegen (of verplaatsen) in zijwaartse richting en ook kan draaien. Als we deze theorie toepassen op een eenvoudig ondersteunde ligger dan is de drukflens de bovenflens. Als deze flens zijdelings doorbuigt, probeert de trekflens de ligger recht te houden en creëert 'restoring' krachten door de zijdelingse doorbuiging van de ligger. Deze krachten alleen kunnen de ligger echter niet recht houden. De weerstand van de ligger tegen LTB wordt bepaald door de restkrachten en de laterale component van de trekkrachten in de trekflens.

Door de wisselwerking tussen de druk- en de trekflens wordt een niet-gespannen balk gedwongen te draaien. De weerstand tegen deze torsie is afhankelijk van de torsieweerstand van de doorsnede van de ligger. Liggers met grote flensdiktes hebben bijvoorbeeld een grotere torsieweerstand dan die met kleinere flensdiktes voor een gegeven diepte. Er zijn andere profielen die ook een grotere weerstand bieden (RHS/SHS) en deze worden vaak gebruikt in situaties waar grote(re) overspanningen nodig zijn om de verticale belasting te dragen (b.v. openingen met dubbelvouwdeuren) die gevoelig zijn voor effecten van uitwendige krachten.

Om te zien hoe het LTB defect ontstaat kijk naar deze video.

Welke factoren beïnvloeden LTB?

Er zijn drie belangrijke factoren:

1. Plaats van de toegepaste belasting

2. De verdeling van het buigende moment

3. Eindsteunvoorwaarden

Plaats van de toegepaste belastingen

Het effect van LTB wordt bepaald door de afstand tussen de plaats van de uitgeoefende belasting en het afschuifcentrum van de doorsnede. De doorsnede is gevoeliger voor LTB als de belasting boven het afschuifcentrum wordt uitgeoefend. Het effect is minder als de belasting langs het afschuifcentrum wordt uitgeoefend en als de belasting eronder wordt uitgeoefend, heeft de ligger weinig kans om LTB te ondergaan.

[Terzijde] Het afschuifcentrum is een punt op de doorsnede waar de uitgeoefende belastingen geen torsie veroorzaken. Het is afhankelijk van de doorsnede. Het afschuifcentrum en het zwaartepunt op een symmetrische doorsnede zijn hetzelfde. Bij een asymmetrische doorsnede is het mogelijk dat ze niet samenvallen. Er komt een beetje wiskunde bij kijken om het afschuifcentrum voor een bepaalde doorsnede te berekenen, maar gelukkig gebruiken ingenieurs software en hebben ze tabellen waarnaar ze kunnen verwijzen!

De verdeling van het buigende moment

Een doorsnede met een gelijkmatig buigend moment over de lengte heeft minder knikweerstand in vergelijking met een andere buigend momentverdeling.

Eindsteunvoorwaarden

De LTB-weerstand van een liggerdoorsnede neemt toe naarmate de eindsteunen meer op hun plaats worden gehouden. Neem een ligger die op een bloksteen rust in vergelijking met een ligger die in een betonnen muur is gegoten. De laatste heeft meer speling aan de uiteinden dan de eerste. De ene is vrij om te draaien en de andere niet.

Een doeltreffende zijdelingse steun kan de afmetingen van de ligger aanzienlijk ten goede komen. Volledige steun kan worden bereikt door de samengestelde werking van een betonnen dek. Gedeeltelijke steun kan worden bereikt met tussenliggers. Verstijvingen - van voldoende omvang en op een geschikte plaats - kunnen ook worden gebruikt.

Dit is allemaal goed en wel voor het ontwerp van elementen, maar wat gebeurt er als het gaat om het ontwerp van verbindingen?

De werkelijke reacties blijven gelijk, ongeacht de LTB-steun, maar het element heeft extra fixiteit vanwege deze steun. Als we dit zouden negeren, dan zou het ontwerp van de verbinding een overschatting zijn.

In de nieuwe versie van IDEA StatiCa (versie 22.0) hebben wij een nieuwe bewerking geïntroduceerd - Zijdelingse torsiebeperking (Lateral Torsional Restraint).