staal-beton kolommen theorie en richtlijnen

Transcriptie

1 staal-beton kolommen theorie en richtlijnen

2 staal-beton kolommen theorie en richtlijnen DEZE PUBLIKATIE IS TOT STAND GEKOMEN ONDER VERANTWOORDELIJKHEID VAN DE ONDERZOEKCOMMISSIE STAAL-BETON KOLOMMEN (CUR-VB-COMMISSIE C l5a/sg-werkgroep TC 10-1) HET ONDERZOEK WERD UITGEVOERD DOOR HET INSTITUUT TNO VOOR BOUWMATERIALEN EN BOUWCONSTRUCTIES GEZAMENLIJKE PUBLIKATIE VAN STAALBOUWKUNDIG GENOOTSCHAP, ROTTERDAM BETONVERENIGING (CUR-VB), ZOETERMEER UITGEVERIJ WALTMAN, DELFT

3 De Stichting CUR~VB, het Staalbouwkundig Genootschap en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij!let verwerken van de in deze publikatie vervatte gegevens; deze gegevens geven de stand van de techniek op het moment van uitgifte weer. Nochtans moet niet warden uitgesloten de mogelijkheid dat zich toch onjuistheden in deze publikatie kunnen bevinden. Degene die van deze publikatie gebruik maakt, aanvaardt daarvoor het risico. De Stichting CUR~VB en het Staalbouwkundig Genootschap sluiten mede ten behoeve van al degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die macht vaartvlaeien uit het gebruik van deze gegevens. ISBN

4 VOORWOORD Op initiatief van de Stichting voor onderzoek, voorschriften en kwaliteitseisen op het gebied van beton (CUR-VB) en het Staalbouwkundig Genootschap (SG) werd in 1965 de commissie C 15/TC 10 opgericht. Deze commissie had als doelstelling het verrichten van onderzoek op het gebied van staal-beton liggers. Als eerste resultaat van de werkzaamheden van de commissie verscheen in 1974 het SG/CUR-rapport 1 "Statisch bepaalde staal-beton liggers", waarin behalve de beschrijving van theorie en experimenten ook richtlijnen zijn opgenomen (RSBL 1974). Na de voltooiing van het genoemde rapport was de commissie van oordeel dat haar werk moest worden voortgezet om ook te komen tot richtlijnen voor statisch onbepaalde staal-beton liggers en voor staal-beton kolommen. In overleg met de CUR-VB en het SG werd toen besloten, naast commissie C 15/TC 10 een commissie C 15A/TC 10-1 te installeren. De oorspronkelijke commissie zou zich daarna, in enigszins gewijzigde samenstelling, alleen bezighouden met statisch onbepaalde staal-beton liggers, terwijl de commissie C 15A/TC 10-1 zich zou bepalen tot staal-beton kolommen. Doordat een aantal gecombineerde lidmaatschappen voorkwam, was een goede onderlinge uitwisseling van gegevens en bereikte resultaten verzekerd. Ten tijde dat dit SG/CUR-VB-rapport verschijnt, is de samenstelling van de commissie als volgt: ir. J. J. F. NICOLAI, voorzitter ir. A. K. DE GROOT, secretaris ir. A. W. DE JONGH ir. H. N IEUWLAND ir. F. VAN PELT ir. M. J. J. SANTBERGEN dr. if. J. STRATING ing. B. VAN WEESEP if. J. H. WENDRICH ir. P. WILHELM ir. J. G. J. ALMA, corresponderend lid prof. ir. A. L. BOUMA, corresponderend lid if. H. S. BUITENKAMP, corresponderend lid Mentoren: ir. A. AUER, voor het SG (t 29 mei 1980) prof. ir. CH. J. Vos, voor de CUR-VB

5 Het onderzoek werd uitgevoerd bij het IBBC-TNO door achtereenvolgens ir. H. S. BUI TENKAMP, ir. M. J. J. SANTBERGEN, ir. J. H. WENDRICH, ir. J. G. J. ALMA, ir. A. W. DE JONGH en ten slotte ir. A. K. DE GROaT onder leiding van ir. J. W. B. STARK. Het rapport werd samengesteld door ir. A. K. DE GROaT. juli 1983 De Stichting voor Onderzoek, Voorschriften en Kwaliteitseisen op het gebied van Beton (CUR-VB) Het Staalbouwkundig Genootschap (SG)

6 INHOUD Hoofdstuk Hoofdstuk Hoofdstuk Hoofdstuk Hoofdstuk NOTATIES. INLEIDING. AIgemeen. Beschouwde doorsneden Beschouwde belastinggevallen Voorschriften en veiligheidsbeschouwing. Volledige samenwerking KORT OVERZICHT VAN BESCHIKBARE ONDERZOEKRESULTATEN. Buitenlands onderzoek. Onderzoek verricht bij IBBC-TNO SPANNING-REKDIAGRAMMEN. Reton. Betonstaal... ConstructiestaaL ALGEMENE BESCHOUWINGEN OVER DE CENTRISCH EN EXCEN TRISCH BELASTE KOLOM ONDERWORPEN AAN ENKELE BUlGING Invloed van verschillende soorten materiaalgedrag Lineair elastisch materiaal. Lineair elastisch-ideaal plastisch materiaal Niet-lineair elastisch materiaal Elasto-plastisch materiaal Specifieke aspecten van het materiaal beton Tij dsafhankelij ke vervorming... Berekening van een stalen kolom. Centrisch belaste kolom..... Excentrisch belaste kolom.... Berekening van een gewapend-betonkolom. Berekening van een staal-beton kolom AIgemeen. Centrisch belaste kolom. Excentrisch belaste kolom CENTRISCH BELASTE KOLOMMEN. Bepaling van de karakteristieke korteduur draagkracht met behulp van een Monte-Carlo simulatie

7 Hoofdstuk Hoofdstuk 7 Hoofdstuk Benadering van de karakteristieke waarde van de korteduur draagkracht met behulp van de ECCS-knikkrommen (~-methode) Proefresultaten korteduur draagkracht Deterministische bepaling van de langeduur draagkracht AIgemeen. Programma KRUKO Quasi korteduur berekening Toetsing van de quasi korteduur berekening Bepaling van de karakteristieke langeduur draagkracht met behulp van een Monte-Carlo simulatie Benadering van de karakteristieke waarde van de langeduur draagkracht met behulp van de ECCS-knikkromme (~-methode) EXCENTRISCH BELASTE KOLOMMEN. AIgemene uitgangspunten NLE-methode.. Uitgangspunten.. Afleiding formules Rekenprocedure. Nadere toelichting Ilken met behulp van de knikkromme Methode BASU en SOMMERVILLE.. Algemeen. Vereenvoudigde berekening van Mp. Methode ROIK en WAGENKNECHT. TGB-methode.. AIgemeen... Afleiding formules C 15-methode.. Toetsing van de verschillende benaderingsmethoden. Modificatie van de methode ROIK en WAGENKNECHT. BuigingsrichtingvaIt niet samen met de richting van het uit~ knikken. Dubbele buiging.... Aanvullende berekening GEVULDE STALEN BUIZEN. REKENVOORBEELDEN

8 Hoofdstuk Hoofdstuk 10 ACHTERGROND VAN SOMMIGE ARTIKELEN UIT DE RICHTLIJNEN Beton. Restspanningen, maatafwijkingen e.d.. Plooien. Vereenvoudigde berekening. Schuifspanning tussen beton en staalprofiel. Dimensionering van de verbindingsmiddelen. Koppeling van samengestelde profielen. Artikelen uit de RSBL SAMENVATTING Bijlage A VEREENVOUDIGDE BEREKENING VAN Mp 136 Bijlage B DOORSNEDEBEREKENING BASU EN SOMMERVILLE. 140 Bijlage C Cl C2 DOORGAANDE VERHARDING Inleiding Verandering van het (j-e-diagram in de tijd Bijlage D LITERATUURLIJST. 149 ZusammenJassung. 152 Resume Summary RICHTLIJNEN VOOR HET ONTWERP EN DE VERVAARDIGING VAN STAAL-BETON KOLOMMEN

9 NOTATIES A B E El F I Kl,Kz, M Mu S T a b c d min f oppervlakte aanduiding betonkwaliteit elasticiteitsmodulus buigstijfheid geconcentreerde last traagheidsmoment coeffich5nten behorend bij de methode Basu en Sommerville buigend moment uiterst opneembare moment van een doorsnede bij een gegeven normaalkracht (N =F 0) uiterst opneembare moment van een doorsnede voor N = 0 1e-orde moment eindmoment op een kolom met de kleinste absolute waarde (M 1 kan zowel positief als negatief zijn) eindmoment op een kolom met de grootste absolute waarde (M 2 wordt altijd positief gerekend en bepaalt daardoor het teken van M 1 ) maximale toegestane waarde van M 2 totale moment in de maatgevende doorsnede, inclusief2e-orde effect (NYm) normaalkracht rekenwaarde voor de normaalkracht Eulerse knikkracht normaalkracht waarbij volgens de knikkromme de centrisch belaste kolom bezwijkt uiterst opneembare normaalkracht van een doorsnede voor M= 0 N p voor korteduur belasting N p voor langeduur belasting; in de RSBK 1983 aangeduid als N p (zonder index co) kracht op een deuvel; statisch moment dwarskracht vermenigvuldigingsfactor breedte betondekking minimale afmeting van de betondoorsnede excentriciteit maatgevende beginexcentriciteit (d.w.z. zonder 2e-orde effect, eo = M 2 /N) beginexcentriciteit behorend bij M 1 (= MI/N) toeslagexcentriciteit treksterkte 8

10 I' h k I I k druksterkte hoogte traagheidsstraal veerconstante; hulpfactor theoretische kolomlengte afstand tussen de buigpunten, kniklengte I g n lengte waarbij de kniklast gelijk is aan N p verhouding tussen kniklast en aanwezige normaalkracht; verhouding tussen Ea en Eb r verhouding eindmoment (= M 1 jm 2 ) s coefficient in methode Roik en Wagenknecht; standaardafwijking tijd; dikte van een stalen buisprofiel tr dikte flens van een stalen profiel t w dikte lijf van een stalen profiel X u hoogte van de betondrukzone bij een rechthoekig spanningsblok Xr afstand tussen de neutrale lijn en de binnenkant van de minst gedrukte flens y afstand van de staafas in uitgebogen toestand tot de werklijn van de normaalkracht Ym waarde van y in de maatgevende doorsnede a betonbijdragefactor; hoek van de draaiingsas van het eindmoment bij dubbele buiging; vormfactor f3 coefficient om het 2e-orde effect in rekening te brengen bij de methode Roik en Wagenknecht; hoek van de draaiingsas van het eindmoment bij dubbele buiging y veiligheidscoefficient; belastingcoefficient e specifieke rek e' specifieke stuik ~ verhouding tussen de kolomlengte en de afstand tussen twee buigpunten (= Ij/k) le kromming A slankheid (lji) A e hulpslankheid (= 7C JEja e ) I specifieke slankheid (= Ij/g) g, fl vergrotingsfactoren bij vereenvoudigde kruipberekening a normaaltrekspanning a' normaaldrukspanning a e vloeispanning r schuifspanning tp kruipcoefficient rj knikcoefficient gedefinieerd als NjNp (j) knikcoefficient gedefinieerd als NpjN ~ vergrotingsfactor bij de methode Roik en Wagenknecht 9

11 Betekenis van enige belangrijke indices a profielstaal 0 korteduur; oorsprong s betonstaal na zekere tij d; tangent b beton co langeduur min minimum p plastisch max maximum u in de bezwijktoestand initieel w lijf f flens, tictief x buiging om x-as k karakteristiek, knik y buiging om y-as 10

12 HOOFDSTUK 1 INLEIDING 1.1 Algemeen In de historische ontwikkeling die leidde tot het gebruik van staal-beton kolommen (vroeger ook wel aangeduid als samengestelde kolommen) zijn twee sporen te onderscheiden. Bij de stalen kolom is er de ontwikkeling via de brandwerendheidseisen die leidde tot een omhulling van het stalen profiel met beton ofin het geval van een stalen buis tot een vulling met beton. Bij de gewapend-betonkolom is er de ontwikkeling vanuit de behoefte slanke kolommen te kunnen toepassen. De daarbij benodigde hoge wapeningspercentages zijn alleen goed te realiseren als een stalen profiel wordt ingestort. In de laatstgenoemde ontwikkeling zijn van meet af aan de beide materiaalsoorten (profielstaal en gewapend beton) in de berekening betrokken, zonder dat hier echter veel theoretisch en experimentee1 onderzoek aan ten grondslag lag. In de ontwikkeling vanuit de stalen kolom was het lang (tot ongeveer 1950) gebruikelijk het betonaandeel in de berekening van de draagkracht geheel te verwaarlozen. Desondanks kon het voorkomen dat een staal-beton kolom volgens de gewapend-betonvoorschriften een lagere bezwijkbelasting bezat dan zou volgen uit een berekening volgens de staalvoorschriften voor het stalen profiel alleen. Het zal duidelijk zijn dat deze situatie ongewenst was. In de zestigerjaren werd daarom een begin gemaaktmetzowel theoretisch als experimenteel onderzoek naar het gedrag van staal-beton kolommen. Dit onderzoek leidde tot meer inzicht in de ware eigenschappen van dit constructietype, welk inzicht kon leiden tot verbetering van de tot dan toe gehanteerde richtlijnen. Een probleem vormde nog wel ofde nieuwe richtlijnen moesten worden ingepast in de staalvoorschriften of in de betonvoorschriften. Principieel is dit uiteraard geen probleem. Beide voorschriften gaan immers uit van dezelfde veiligheidsbeschouwing en berekeningsfilosofie. Toch blijken er verschillen in praktische uitwerking voor te komen, waarvan er in dit rapport een aantal ter sprake komt. In de Verenigde Staten van Amerika is de weg gevolgd van het aanpassen aan de betonvoorschriften. Het stalen profiel wordt opgevat als wapening. In Europa werd in 1970 door vier internationale organisaties - IABSE, CEB, FIP en ECCS* - een commissie ingesteld, het zogenoemde Joint Committee for Composite * IABSE - International Association for Bridge and Structural Engineering CEB - Comite Euro-international du Beton FIP - Federation Intemationale de la Precontrainte ECCS - European Convention for Constructional Steelwork 11