Ontwerp ondergrondse wandliggers eenvoudig met behulp van de ETABS BIM Link

Het gebouw bevindt zich direct boven een ondergrondse constructie. Als gevolg hiervan kunnen sommige palen die normaal gesproken onder de kolommen worden aangebracht, niet worden geplaatst. Om dit op te lossen, hebben de ingenieurs voorgesteld om wandliggers te gebruiken ter ondersteuning van de betreffende kolommen.

Het ontwerp van wandliggers is echter inherent complex, met name wanneer openingen aanwezig zijn. Bovendien zijn voor ondergrondse constructies de beschikbaarheidsgrensstoestand (BGT)-overwegingen, zoals scheurwijdtebeheersing, van groter belang, omdat deze constructies in contact staan met de grond en daardoor gevoeliger zijn voor duurzaamheidsproblemen, waaronder corrosie. Gevestigde ontwerpmethoden, zoals de Staafwerk-methode, richten zich voornamelijk op de eisen van de uiterste grenstoestand (UGT), maar dekken het BGT-gedrag niet adequaat af.

Ontwerp van wandliggers

Het ontwerp van wandliggers is een complex onderwerp, omdat het gedrag vaak overeenkomt met D-gebieden, waarbij de aanname van een vlakke doorsnede niet geldig is en de gebruikelijke empirische formules uit de norm niet kunnen worden toegepast. Dit betekent dat de ontwerpfunctie in globale EEM-software, die vaak gebruikmaakt van een balk- of kolomontwerpaanname, niet geschikt is voor dit probleem.

Voor de hierboven getoonde wand hebben ingenieurs twee opties voor het ontwerp. De eerste is het gebruik van de Staafwerk-methode; hoewel dit een goede en geschikte methode is, vergt het veel handmatig werk en iteraties, wat tijdrovend kan zijn. De tweede optie is het gebruik van een benadering in globale EEM-software door de hoofdtrekspanningen te evalueren om de wapeningseisen te bepalen en te verifiëren dat de hoofddrukspanningen onder de rekenwaarde van de betonsterkte blijven.

Optie twee lijkt een praktischere en tijdefficiëntere keuze, maar er schuilt een verborgen gevaar in.

IDEA StatiCa Detail

IDEA StatiCa Detail maakt gebruik van CSFM (Compatible Stress Field Method), die zowel B-gebieden als D-gebieden nauwkeurig kan verwerken. Detail verwerkt ook compression softening-effecten in de analyse via een kc2-factor, waardoor een realistischere en veiligere beoordeling van de drukdiagonaalcapaciteit wordt verkregen.

IDEA StatiCa 25.1 biedt de import van wandelementen van ETABS naar IDEA StatiCa Detail. Door gebruik te maken van deze BIM Link kunnen ingenieurs eenvoudig wanden importeren vanuit ETABS voor een grondiger analyse in IDEA StatiCa Detail.

Hieronder is dezelfde wand weergegeven, geïmporteerd vanuit ETABS en geanalyseerd in IDEA StatiCa Detail. In de linkerbovenhoek is te zien dat met de opgegeven basiswapening de UGT-analyse bezwijken aangeeft, ook al zijn de drukspanningen vergelijkbaar (circa 17 MPa). Hoe komt dat?

Dit UGT-bezwijken wordt veroorzaakt door de toepassing van het compression softening-effect via de kc2-factor, die de betoncapaciteit reduceert met een factor 0,87. De betoncapaciteit bedraagt daarmee σc,lim = fcd x k2 = 20 x 0,87 = 17,4 MPa. Daarom wordt bij een drukspanning van 17 MPa de benuttingsgraad (σc/σc,lim) weergegeven als 99,5%. Maar wat is dit compression softening-effect precies?

Compression Softening

Wanneer beton onder hoge druk staat, ontstaan er vaak trekrekken in de loodrechte richting, ook wel transversale trek genoemd. Zodra dit optreedt, beginnen er kleine scheuren te vormen en wordt het beton minder omsloten en zwakker in druk. Dit effect, bekend als compression softening, betekent dat gescheurd beton minder druk kracht kan opnemen dan ongescheurd beton. In de norm wordt dit effect meegenomen bij het ontwerp van bijvoorbeeld een gedrongen ligger. Bij drukdiagonalen en knooppunten in gedrongen liggers wordt een factor k in de Eurocode (of β in ACI) met verschillende waarden, afhankelijk van de situatie, gebruikt om de maximale druksterkte van beton te reduceren vanwege het compression softening-effect. Door gebruik te maken van IDEA StatiCa Detail wordt deze reductiefactor kc2 automatisch berekend op basis van de werkelijke spanningstoestand.

De oplossing

De oplossing is het toevoegen van extra wapening om een deel van de drukspanning van het beton over te nemen. Op deze manier kan de wandligger de normtoetsing doorstaan, zoals hieronder weergegeven. De noodzaak om extra drukwapening toe te voegen zou anders worden gemist als ingenieurs geen gebruik zouden maken van IDEA StatiCa Detail.

Wellicht is het u niet opgevallen, maar in de linkerbovenhoek wordt ook het BGT-resultaat weergegeven, inclusief spannningsbegrenzing, doorbuiging (met langetermijneffect) en scheurwijdte, en dit wordt eveneens meegenomen in IDEA StatiCa Detail. Het BGT-resultaat is iets wat de twee andere hierboven beschreven benaderingen niet kunnen leveren. 

Door gebruik te maken van IDEA StatiCa Detail zijn ingenieurs dus volledig geïnformeerd over het gedrag van hun wandligger, niet alleen in de UGT, maar ook in de BGT.

Rapport

Zodra het ontwerp is afgerond, kunnen ingenieurs een uitgebreid rapport opstellen met alle analyseresultaten voor indiening. Daarnaast kan ook een materiaalstaat van de wapening worden gegenereerd voor fabricagedoeleinden.

Conclusie

Het ontwerp van wandliggers vereist zorgvuldige aandacht voor de complexe spanningsinteracties die optreden in D-gebieden. Vereenvoudigde benaderingen of direct gebruik van globale EEM-resultaten kunnen belangrijke effecten zoals compression softening over het hoofd zien, wat leidt tot een overschatting van de betoncapaciteit. Door gebruik te maken van IDEA StatiCa Detail en de op CSFM gebaseerde analyse kunnen ingenieurs deze niet-lineaire gedragingen nauwkeurig in rekening brengen, zodat zowel de UGT- als de BGT-eisen correct worden geverifieerd.

Bronnen

• Tutorial voor de ETABS naar Detail BIM Link