Is de voetplaat voldoende stijf?

Waarom zijn bevestigingsmiddelen zo belangrijk?

Bevestigingsmiddelen spelen een cruciale rol in de integriteit en veiligheid van constructieve en niet-constructieve elementen. Daarom zijn er specifieke normen ontwikkeld, zoals EN1992-4. Deze normen behandelen de uitdagingen van staal-op-beton verbindingen en bieden een betrouwbare ontwerpmethode die een veilige krachtoverdracht tussen stalen en betonnen elementen waarborgt. EN1992-4 omvat verschillende typen bevestigingsmiddelen (ingestorte kopduvels, achteraf aangebrachte mechanische en gelijmde bevestigingsmiddelen), evenals verschillende belastingscategorieën.

Het ontwerp van bevestigingsmiddelen voor gebruik in beton

Het ontwerp van bevestigingsmiddelen in beton, conform EN1992-4, voor statische/quasi-statische belasting omvat meerdere normtoetsingen:

Fig. 1  Normtoetsingen voor bevestigingsmiddelen op trek

Fig. 2 Normtoetsingen voor bevestigingsmiddelen op afschuiving

Fig. 3 Normtoetsingen voor de interactie van trek- en afschuivingsbelastingen

Het ontwerpproces, zoals beschreven in de norm (Fig.  1 - Fig.  3), vereist een gedetailleerde aanpak om te waarborgen dat aan alle relevante normtoetsingen wordt voldaan. Elk type bevestigingsmiddel vereist specifieke overwegingen. Zo zijn mechanische ankers gebaseerd op mechanische vergrendeling, terwijl gelijmde ankers afhankelijk zijn van de adhesieve eigenschappen van het hechtmateriaal. Het ontwerpproces moet rekening houden met deze verschillen om een betrouwbare verbinding te garanderen.

Laten we een van deze normtoetsingen nader bekijken. We nemen de karakteristieke weerstand van het bevestigingsmiddel, of een groep bevestigingsmiddelen in het geval van bezwijken van het beton door kegelbreuk (Fig.  4), als voorbeeld, wat aantoont hoe geavanceerd het ontwerpmodel is:

Fig.  4 De karakteristieke weerstand van het bevestigingsmiddel, of een groep bevestigingsmiddelen in het geval van betonkegelbreuk

Er zijn vier factoren opgenomen in de vergelijking om effecten te verdisconteren zoals afschilfering van de betonschil, verstoring van de spanningsverdeling, aanwezigheid van aanvullende wapening en andere. Dit toont aan dat niet alleen de eigenschappen van de bouwmaterialen (staal, beton), maar ook andere factoren, zoals de geometrie van het betonblok, het ankerraster, de inbeddiepte, aanvullende wapening, enz., invloed hebben op de uiteindelijke weerstand, d.w.z. de maatgevende bezwijkvorm voor de gegeven belastingscombinatie. Dit toont aan dat het ontwerp van staal-op-beton verbindingen behoorlijk tijdrovend en complex kan zijn wanneer het handmatig wordt uitgevoerd, omdat het talrijke berekeningen en iteraties vereist om het ontwerp te optimaliseren.

IDEA StatiCa Connection stelt de gebruiker in staat om staal-op-beton verbindingen te ontwerpen met behulp van achteraf aangebrachte mechanische bevestigingsmiddelen of ingestorte ankers met ankerplaten. Afhankelijk van het ankertype zijn er veel normtoetsingen uit te voeren. De meeste normtoetsingen die zijn vermeld in Fig.  1 - Fig.  3 worden berekend in IDEA StatiCa Connection op basis van de invoer van de gebruiker en de parameters die in de norm zijn aangegeven. Sommige worden niet uitgevoerd omdat ze productspecifieke factoren vereisen, die zijn gebaseerd op proeven uitgevoerd met een gestandaardiseerde opstelling en beoordeeld conform de toepasselijke geharmoniseerde technische specificaties. Deze factoren zijn te vinden in technische goedkeuringen zoals de Europese Technische Beoordeling (ETB). Naast de factoren die nodig zijn voor de berekening van de rekenwaarde van de weerstand, zijn er andere belangrijke kenmerken opgenomen in de goedkeuring, zoals minimale randafstand c_min, minimale ankerspatiëring s_min, minimale hoogte van het betonblok h_min, veiligheidsfactoren en meer. De informatie over normtoetsingen die niet worden uitgevoerd, is beschreven op het resultatenblad zoals weergegeven in Fig.  5.

Fig.  5 Een lijst van normtoetsingen die productspecifieke kenmerken vereisen

De stijfheid van de stalen voetplaat

Naast een lijst van vereiste normtoetsingen specificeert de norm aanvullende regels waaraan moet worden voldaan. Daartoe behoren de regels voor de bepaling van de krachten die op bevestigingsmiddelen werken. Wanneer een buigend moment en/of een trek kracht op een bevestigingsconstructie werkt, vergelijkbaar met een staal-op-staal verbinding, kunnen wrikkrachten ontstaan. Deze krachten moeten worden meegenomen in het ontwerp van de voetplaat, omdat dit leidt tot hogere trek krachten in de ankers. Deze eis is beschreven in Clausule 6.1 (4) en weergegeven in Fig. 6.1 b van EN1992-4:

Fig.  6 Clausule 6.1 (4) van EN1992-4

Fig.  7 Vergroting van de trek krachten op een bevestigingsmiddel als gevolg van wrikkrachten C_pr

De norm geeft richtlijnen voor het berekenen van de rekenwaarden van de trekkrachten op een bevestigingsmiddel, mits de bevestigingsconstructie voldoende stijf is, wat betekent dat de aanname van een lineaire rekverdeeling geldig is (zoals in de balktheorie). Als echter niet wordt voldaan aan de eisen van Clausule 6.2.1, wordt het elastische vervormingsgedrag van de stalen voetplaat in rekening gebracht. Dit effect wordt meegenomen in IDEA StatiCa Connection, omdat de berekening met de CBFEM methode het buiggedrag van de voetplaat kan vastleggen, inclusief de stijfheid van het aangesloten profiel, de lassen en de funderingsonderlaag (gemodelleerd met het Winkler ondergrondmodel). In het volgende gedeelte bekijken we nader de invloed van de plaatdikte op de resulterende trek krachten in de ankers, de equivalente spanningen in de kolom en de drukspanningen in het betonblok.

Enkele voorbeelden in IDEA StatiCa

Laten we enkele voorbeelden bekijken die ik heb samengesteld met IDEA StatiCa

Hierbij blijven de ankerindeling (twee rijen met drie ankers), de inbeddiepte, de afmetingen van het betonblok en de materiaaleigenschappen gelijk voor beide onderzochte gevallen. Wat wordt aangepast, is de voetplaatdikte (10, 20 en 30 mm) en de toegepaste belastingseffecten – voor geval nr. 1 is dat een trek kracht waarbij N = 100 kN, en voor geval nr. 2 is dat een druk kracht waarbij N = -100 kN. Deze aannames stellen ons in staat om de invloed van de parameters op de uitkomsten eenvoudig te verifiëren, d.w.z. de normaalkrachten in de bevestigingsmiddelen, de equivalente spanning in de kolom en de drukspanning in het beton. Het model is weergegeven in Fig. 8 hieronder.

Fig.  8 Model in IDEA StatiCa Connection

Laten we beginnen met geval nr. 1, hier zijn de resultaten voor de onderzochte voorbeelden:

Fig.  9 Geval nr. 1, voetplaatdikte = 10 mm, equivalente spanningen

Fig.  10 Geval nr. 1, voetplaatdikte = 10 mm, trek krachten in ankers

Fig.  11 Geval nr. 1, voetplaatdikte = 20 mm, equivalente spanningen

Fig.  12 Geval nr. 1, voetplaatdikte = 20 mm, trek krachten in ankers

Fig.  13 Geval nr. 1, voetplaatdikte = 30 mm, equivalente spanningen

Fig.  14 Geval nr. 1, voetplaatdikte = 30 mm, trek krachten in ankers

Tab. 1 Een samenvatting van de resultaten voor geval nr. 1 (N = 100 kN)

Zoals verwacht nemen de wrikkrachten af naarmate de plaatdikte toeneemt; bij t_fix = 30 mm zijn er geen wrikkrachten aanwezig en is de belasting gelijkmatig verdeeld over alle ankers in de groep. Vergelijking van de krachten voor de meest belaste ankers in de groep toont een verschil van 67% tussen een elastische voetplaat (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) en een stijve voetplaat (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). Het meenemen van het buiggedrag van de stalen voetplaat beïnvloedt ook de spanningsverdeling in de aangesloten platen en in de lassen die de elementen verbinden. Dit toont aan hoe belangrijk de verificatie van de voetplaatstijfheid is in het ontwerpproces.

De resultaten voor geval nr. 2 tonen de invloed van de plaatdikte op de verdeling van de drukspanning in het beton:

Geval nr. 2, voetplaatdikte = 10 mm, equivalente spanningen, spanning in beton

Fig.  16 Geval nr. 2, voetplaatdikte = 20 mm, equivalente spanningen, spanning in beton

Fig.  17 Geval nr. 2, voetplaatdikte = 30 mm, equivalente spanningen, spanning in beton

Tab. 2 Samenvatting van de resultaten voor geval nr. 2 (N = -100 kN)

Er kan worden opgemerkt dat met toenemende dikte de spanning gelijkmatiger wordt verdeeld, wat op zijn beurt de maximale drukspanning in het beton verlaagt.

Samenvatting

Met IDEA StatiCa Connection kan de gebruiker het buiggedrag van de stalen voetplaat nauwkeurig modelleren en de invloed ervan op de gemodelleerde verbinding verifiëren. De software gebruikt de CBFEM methode om de vervorming van de voetplaat onder de gegeven belastingseffecten te simuleren. Dit stelt ingenieurs in staat de krachtsverdeling te visualiseren en potentiële problemen met betrekking tot het elastische gedrag van de stalen voetplaat te identificeren, of de juistheid van de aanname van een lineaire rekverdeling zoals vermeld in EN1992-4 te bevestigen. Het is een cruciaal onderdeel van het ontwerpproces voor staal-op-beton verbindingen, omdat zelfs relatief dikke voetplaten mogelijk niet voldoen aan de eisen van een stijve voetplaat, en het weglaten van deze verificatie kan leiden tot een onderschatting van de trek krachten in de ankers, zoals aangetoond in de bovenstaande voorbeelden.

…nog één ding

In de nieuwste versie van onze software, Versie 24.0, is een bètaversie van een directe koppeling tussen IDEA StatiCa Connection en Detail geïmplementeerd. Dit maakt de verificatie van gewapende betonfunderingen (UGT) mogelijk met behulp van 3D Detail (gebaseerd op de CSFM methode). In ons supportcentrum vindt u een stapsgewijze handleiding over hoe de gegevens tussen beide programma's uitgewisseld kunnen worden, evenals hoe de berekening uitgevoerd kan worden in onze Detail applicatie.

Fig. 18 BIM-koppeling tussen IDEA StatiCa Connection en Detail (bètaversie)

Meer bronnen

U kunt hier meer lezen over dit onderwerp:

Normtoetsing van ankers (EN)

Import van verankering van Connection naar Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Constructief ontwerp van betonnen 3D-discontinuïteiten | IDEA StatiCa

Als u meer wilt lezen over de nieuwste versie, bekijk dan de release notes voor alle details. 

Bekijk de webinar-opname

Dit succesvolle webinar, met meer dan 1.500 geregistreerde deelnemers, biedt een diepgaandere verkenning van het onderwerp. Door dit blogbericht te lezen, krijgt u toegang tot de webinar-opname en kunt u geavanceerde technieken en werkwijzen verkennen.
Mis deze kans niet en bekijk het!