Algemene inleiding voor het constructief ontwerp van staalverbindingen

Inleiding

Staafelementen hebben de voorkeur van ingenieurs bij het ontwerpen van staalconstructies. Er zijn echter veel locaties op de constructie waar de elemententheorie niet geldig is, bijvoorbeeld lasverbindingen, boutverbindingen, funderingen, gaten in muren, de taps toelopende hoogte van de doorsnede en puntbelastingen. De constructieberekeningen op zulke plaatsen zijn moeilijk en vereisen speciale aandacht. Het gedrag is niet-lineair en de niet-lineariteiten moeten worden gerespecteerd, bijv. het vloeien van het materiaal van platen, contact tussen kopplaten of voetplaat en betonpoer, eenzijdige acties van bouten en ankers, lassen. Ontwerpnormen, bijv. EN1993-1-8, en ook technische literatuur bieden technische oplossingsmethoden. Hun algemene kenmerk is afleiding voor typische constructievormen en eenvoudige belastingen. De componentenmethode wordt heel vaak gebruikt.

Componentenmethode

De componentenmethode (CM) lost de verbinding op als een systeem van onderling verbonden onderdelen - componenten. Per verbindingstype wordt het bijbehorende model gebouwd om krachten en spanningen in elke component te kunnen bepalen - zie de volgende afbeelding.

De componenten van een verbinding met geboute kopplaten gemodelleerd door veren

Elke component wordt afzonderlijk gecontroleerd met behulp van overeenkomstige formules. Omdat er voor elk verbindingstype het juiste model moet worden gemaakt, heeft het gebruik van de methode beperkingen bij het oplossen van verbindingen met algemene vormen en algemene belastingen.

IDEA StatiCa heeft samen met een projectteam van de afdeling Staal- en Houtconstructies van de Faculteit Civiele Techniek in Praag en het Instituut voor Metaal- en Houtconstructies van de Faculteit Civiele Techniek van de Technische Universiteit van Brno een methode ontwikkeld voor geavanceerd ontwerp van staalverbindingen.

Component Based Finite Element Model (CBFEM) methode is:

• Algemeen genoeg om bruikbaar te zijn voor de meeste verbindingen, funderingen en details in de ingenieurspraktijk.
• Eenvoudig en snel genoeg in de dagelijkse praktijk om resultaten te leveren in een tijd die vergelijkbaar is met de huidige methoden en hulpmiddelen.
• Uitgebreid genoeg om constructeurs duidelijke informatie te geven over het gedrag van verbindingen, spanning, rek en reserves van individuele componenten en over de algemene veiligheid en betrouwbaarheid.

De CBFEM-methode is gebaseerd op het idee dat de meeste geverifieerde en zeer bruikbare onderdelen van CM behouden moeten blijven. Het zwakke punt van CM - de algemeenheid bij het analyseren van spanningen van individuele componenten - werd vervangen door modellering en analyse met behulp van de Finite Element Method (FEM).

FEM is een algemene methode die vaak wordt gebruikt voor constructieberekeningen. Het gebruik van FEM voor het modelleren van verbindingen van elke vorm lijkt ideaal (Virdi, 1999). De elastisch-plastische analyse is vereist omdat het staal gewoonlijk meegeeft in de constructie. In feite zijn de resultaten van de lineaire berekening nutteloos voor het ontwerp van de verbinding.

FEM-modellen worden gebruikt voor onderzoek naar het gedrag van verbindingen waarbij meestal ruimtelijke elementen en gemeten waarden van materiaaleigenschappen worden toegepast.

FEM-model van een verbinding voor onderzoek. Het gebruikt ruimtelijke 3D-elementen voor zowel platen als bouten.

Zowel de lijven als de flenzen van verbonden elementen worden gemodelleerd met behulp van schaalelementen in het CBFEM-model waarvoor de bekende en geverifieerde oplossing beschikbaar is.

De bevestigingsmiddelen - bouten en lassen - zijn het moeilijkst vanuit het oogpunt van het rekenmodel. Het modelleren van dergelijke elementen in algemene FEM-programma's is moeilijk omdat de programma's niet de vereiste eigenschappen bieden. Er moesten dus speciale FEM-componenten worden ontwikkeld om het gedrag van lassen en bouten in een verbinding te modelleren.

CBFEM-model van boutverbinding met kopplaten

Knopen van elementen worden gemodelleerd als massaloze punten bij het analyseren van een stalen frame of liggerconstructie. Evenwichtsvergelijkingen worden samengesteld in verbindingen en snedekrachten op de uiteinden van liggers worden bepaald na het oplossen van de hele constructie. In feite wordt de knoop belast door deze krachten. De resultante van krachten van alle elementen in de knoop is nul - de hele verbinding is in evenwicht.

De echte vorm van een verbinding is niet bekend in het constructiemodel. De ingenieur bepaalt alleen of de verbinding verondersteld wordt stijf of scharnierend te zijn.

Het is noodzakelijk om een betrouwbaar model van de verbinding te maken dat de werkelijke toestand respecteert, om de verbinding goed te kunnen ontwerpen. De uiteinden van elementen met een lengte van een 2-3 veelvoud van de maximale doorsnedehoogte worden gebruikt in de CBFEM-methode. Deze segmenten worden gemodelleerd met behulp van schaalelementen.

Een theoretische (massaloze) knoop en de echte vorm van de verbinding zonder gewijzigde uiteinden van het element

Voor een betere nauwkeurigheid van het CBFEM-model worden de eindkrachten op 1D-elementen toegepast als belastingen op de uiteinden van segmenten. Zesling van krachten van de theoretische verbinding worden overgebracht naar het einde van het segment - de waarden van de krachten blijven behouden, maar de momenten worden gewijzigd door de acties van krachten op overeenkomstige armen.

De uiteinden van segmenten bij de knoop zijn niet verbonden. De verbinding moet gemodelleerd worden. In de CBFEM-methode worden zogenaamde fabricagebewerkingen gebruikt om de verbinding te modelleren. Fabricagebewerkingen zijn met name: sneden, offsets, gaten, verstijvers, ribben, kop- en koppelplaten, hoekstalen, schetsplaten en andere. Bevestigingselementen (lassen en bouten) worden ook toegevoegd.

IDEA StatiCa Connection kan twee soorten berekeningen uitvoeren:

1. Geometrisch lineaire berekening met materiaal- en contactnonlineariteiten voor spanning-rek analyse,
2. Eigenwaardeanalyse om de mogelijkheid van knik te bepalen.

Bij verbindingen is de geometrisch niet-lineaire berekening niet nodig, tenzij de platen erg slank zijn. Plaatslankheid kan worden bepaald door knikberekening. Zie hoofdstuk 3.9 voor de limietslankheid waarbij een geometrisch lineaire berekening nog steeds voldoende is. De geometrisch niet-lineaire berekening is niet geïmplementeerd in de software.