tel fax website

Transcriptie

1

2 Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen

3 Staalbouwkundig Genootschap Branchecentrum Staaltechnologie Stationsplein 45, GHG A Postbus GB Rotterdam tel fax website De vereniging Staalbouwkundig Genootschap, kortweg het SG genoemd, is in 1961 opgericht. Het SG bindt de belangstellenden in de techniek van bouwkundige en civiele staalconstructies uit alle betrokken geledingen, zoals de industrie, de ontwerp- en adviesbureaus, het onderwijs, de overheid en de researchinstituten. De vereniging telt bijna vijfhonderd bedrijfsleden, veertienhonderd leden en zevenhonderd studentenleden/staalkaarthouders. Doelstellingen Het SG kent vier doelstellingen: verrichten van kennisoverdracht; bevorderen van wetenschappelijk onderzoek; verkrijgen van efficiënte richtlijnen en normen; platformfunctie. Deze doelstellingen zijn erop gericht om de bouw te voorzien van de juiste kennis. Verrichten van kennisoverdracht Het SG organiseert de volgende activiteiten: avondsessies (bedrijfsbezoeken, 5x per jaar); excursies (bruggen, gebouwen, enz. 4x per jaar); studiedagen ( 2x per jaar, o.a. SG-Techniekdag); cursussen (o.a. verbindingen, brandwerendheid); opleidingen (Detailleren/MBO, Tekenaar-constructeur SG/post-MBO en Staalconstructeur/post-HBO). Bevorderen van wetenschappelijk onderzoek Het SG geeft een impuls aan de collectieve staalresearch door het instellen van twaalf technische commissies (TC s). De coördinatie van deze TC s ligt in handen van de Research Commissie Staalconstructies (RCS). De RCS stelt zich ten doel: De juiste kennis te genereren en beschikbaar te stellen aan alle partijen in de (staal)bouw. Doordat binnen het SG research en kennisoverdracht hand in hand gaan, ontstaat een synergie: de branche kan efficiënter functioneren en het bedrijfsleven krijgt value for money. Verkrijgen van efficiënte richtlijnen en normen Deze richtlijnen leiden in een later stadium vaak tot normen, waardoor de constructeur voortdurend met de nieuwste inzichten kan construeren. Platformfunctie Zoals in alle vakgebieden is het onderhouden, dan wel het leggen van contacten met collega s van groot belang, evenals het op peil houden en/of uitbreiden van kennis. Het SG vervult deze belangrijke platformfunctie voor diegenen die construeren met staal. Bouwen met Staal Dit twee-maandelijks vaktijdschrift, uitgave van het Staalbouw Instituut, is het officieel orgaan van het SG. Leden ontvangen zes maal per jaar Bouwen met Staal. SG Bedrijvengids Het doel van deze gids is de staalgebruiker op een adequate manier van de benodigde informatie te voorzien. De SG Bedrijvengids (260 p.) verschijnt eenmaal per twee jaar in een oplage van 7500 exemplaren. De gids bevat o.a.: 70 p. tabellen; SG bedrijfsledenlijst (waarvan 142 met een additioneel bedrijfsprofiel) op postcode, alfabet en hoofdactiviteiten; staalbranche informatie, incl. gegevens van organisaties. Studieboeken (Over) spannend staal Basisboek - deel 1 (366 p.), Construeren A - deel 2 (448 p.), Construeren B - deel 3 (544 p.), Rekenvoorbeeldenboek - deel 4 (224 p.) Staalprofielen - deel 5 (160 p.). De boeken zijn complementair geschreven. Afstudeerprijs Staal Het SG organiseert ieder studiejaar de Afstudeerprijs Staal. Het doel van de prijs is waardering tot uiting te brengen voor studenten die in hun afstudeerwerk een (belangrijk) gedeelte in staal hebben gerealiseerd. Donateurs Bedrijfschap Schildersbedrijf British Steel Sales Office NL Koninklijke Hoogovens nv Samenwerkende Nederlandse Staalbouw Staal Federatie Nederland Lidmaatschap Redenen om lid van het SG te worden zijn: persoonlijk geïnformeerd worden over alle SG-activiteiten; ontmoeten van collega s uit het vakgebied; deelnemen aan commissiewerk.; abonnement op Bouwen met Staal (verschijnt 6x per jaar); korting op deelname aan cursussen, studiedagen en excursies. Gratis deelname aan avondsessies; korting op SG-publicaties; gratis exemplaar van de SG Bedrijvengids.

4 MOMENTVERBINDINGEN SG-TC/10a Verbindingen maart 1999

5 Momentverbindingen Uitgave St. Kennisoverdracht SG, Rotterdam ISBN NUGI 833 De uitgever en degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, hebben een uiterste zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze publicatie. Desondanks kunnen fouten niet geheel worden uitgesloten. Het Staalbouwkundig Genootschap sluit mede ten behoeve van al degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, elke aansprakelijkheid uit voor directe en indirecte schade, ontstaan door of verband houdende met toepassing van de inhoud van deze publicatie Staalbouwkundig Genootschap Branchecentrum Staaltechnologie Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Staalbouwkundig Genootschap Branchecentrum Staaltechnologie Stationsplein 45, GHG A Postbus GB Rotterdam tel fax website

6 INHOUD 1 Voorwoord 7 2 Normen & symbolen 9 3 Inleiding 3.1 Opzet Invloed momentverbindingen Begrippen Classificatie Modellering De praktijk 23 4 Voorontwerp 4.1 Opzet Benadering verbindingsstijfheid Benadering verbindingssterkte 31 5 Ontwerpmethoden 5.1 Stijve verbindingen Flexibele verbindingen Niet-volledig sterke verbindingen 54 6 Informatieoverdracht 63 7 Detailontwerp 7.1 Opzet Componenten Lassen Bouten Componentgericht ontwerpen 73 Meer informatie 89 Toelichting nomogrammen 91 Tabellen voor bouten en lassen 93 Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 5

7 6 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

8 1 VOORWOORD Verbindingen in staalconstructies, die momenten kunnen overdragen, zijn in het algemeen duurder om te ontwerpen en te produceren dan verbindingen, die alleen normaalkrachten en/of dwarskrachten overdragen. Een belangrijke oorzaak voor deze hogere kosten zijn de arbeidsintensieve verstijvingen, die vaak worden aangebracht om de verbindingen de vereiste stijfheid en sterkte te geven. Toetsingsregels in normen, als NVN ENV (Eurocode 3: Design of Steelstructures, Part 1: General rules for Buildings en Design of Steelstructures, Part 1 Annex J: Joints in Building Frames ) laten evenwel onverstijfde verbindingen toe, die in staat zijn momenten over te brengen. De fabricage van deze verbindingen is minder arbeidsintensief. De Technische Commissie 10a van het Staalbouwkundig Genootschap is van mening, dat momentverbindingen, hoewel veel minder toegepast dan normaalkrachtverbindingen en dwarskrachtverbindingen, in veel gevallen doorslaggevend kunnen zijn voor de economie van de staalconstructie. Daarom heeft de Commissie, als vervolg op het rapport Normaalkrachtverbindingen en dwarskrachtverbindingen dit rapport uitgebracht, dat specifiek momentverbindingen behandelt. Dit rapport richt zich op het ontwerp van verbindingen, dat wil zeggen het vaststellen van de geometrie. Voor de toetsingsregels zelf wordt verwezen naar de diverse normen. De Technische Commissie 10a van het Staalbouwkundig Genootschap heeft als doel het bevorderen van de toepassing van staal door het genereren en verspreiden van kennis over verbindingen in staalconstructies. De commissie verspreidt deze kennis onder meer door publicaties in Bouwen met Staal, SG-publicaties en lezingen op de jaarlijkse SG- Techniekdag. De activiteiten van de commissie worden gestuurd vanuit het bedrijfsleven. Het werkveld van de commissie richt zich op verschillende aspecten van ontwerp en fabricage van verbindingen in staalconstructies, zoals: onderzoek naar mechanisch gedrag, onderzoek naar productiemethoden, productontwikkeling, economie, onderzoek naar ontwerphulpmiddelen en voorwerk voor normalisatie. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 7

9 De samenstelling van de commissie ten tijde van de totstandkoming van deze publicatie was als volgt: prof.ir. J. Berenbak Hollandia Kloos b.v. en Technische Universiteit Delft ir. J.A. Bunkers Dienst Stedebouw en Volkshuisvesting Rotterdam ing. H.G.A. Evers ECCS b.v. voorzitter ir A.M. Gresnigt Technische Universiteit Delft ing. C. de Heer Technisch Buro de Heer dr. ir. J.C.D. Hoenderkamp Technische Universiteit Eindhoven prof. ir. J.W.B. Stark Technische Universiteit Delft en TNO Bouw mentor ir. C.M. Steenhuis TNO Bouw secretaris dhr. J.A.L.M. Verhoeven Hollandia Keizersveer 8 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

10 2 NORMEN & SYMBOLEN GEBRUIKTE NORMEN Eurocode 3, Design of Steelstructures, Part 1: General Rules for Buildings, NVN-ENV , Nederlands Normalisatie-instituut, Delft Eurocode 3, Design of Steelstructures, Part 1 Annex J: Joints in Building Frames, NVN-ENV /A2, Nederlands Normalisatie-instituut, Delft Eurocode 3, Design of Steelstructures, Part 1, National Application Document, NAD-NVN-ENV , Nederlands Normalisatie-instituut, Delft NEN 6772, Staalconstructies TGB 1990, Verbindingen, Nederlands Normalisatie-instituut, Delft NEN 6770, Staalconstructies TGB 1990, Basiseisen en basisregels voor overwegend statisch belaste constructies, Nederlands Normalisatie-instituut, Delft NEN-ENV , Het vervaardigen van staalconstructies Deel 1: Algemene regels en regels voor gebouwen, Nederlands Normalisatie-instituut, Delft SYMBOLEN a b b d b;nom d g;nom e f y;b;rep f t;b;rep f t;rep f y;d f y;rep h b k i k f k s l b m q s;d s t f;b t f;c u z A b;s keeldoorsnede liggerbreedte nominale boutdiameter nominale gatdiameter moerdiameter representatieve waarde van de vloeigrens van (stalen) bouten representatieve waarde van de treksterkte van (stalen) bouten representatieve waarde van de treksterkte rekenwaarde van de vloeigrens representatieve waarde van de vloeigrens hoogte ligger stijfheidscoëfficiënt van een component flexibiliteitsfactor sterktefactor liggeroverspanning moerhoogte rekenwaarde van de gelijkmatig verdeelde belasting sleutelwijdte flensdikte ligger flensdikte kolom horizontale vervorming van de bovenste verdieping van een raamwerk momentenarm in een verbinding oppervlakte van de spanningsdoorsnede van een bout Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 9

11 A b;nom nominale oppervlakte van de doorsnede van een bout C v;d secant rotatiestijfheid van een verbinding, bepaald volgens Annex J C v;ini;ben;d initiële rotatiestijfheid van een verbinding, bepaald met een benaderingsformule C v;ini;d initiële rotatiestijfheid van een verbinding, bepaald volgens Annex J E d rekenwaarde van de elasticiteitsmodulus F s;d rekenwaarde van een puntlast I bm traagheidsmoment van een ligger M moment M v;s;d rekenwaarde van momenten op de verbinding ten gevolge van de belasting M v;u;ben;d grensmoment van de verbinding, bepaald met een benaderingsformule M v;u;d grensmoment van de verbinding, bepaald volgens Annex J M y;s;d rekenwaarde van het buigend moment om de y-as tengevolge van de belasting M y;u;d de rekenwaarde van het buigend moment om de y-as met betrekking tot de capaciteit in uiterste grenstoestand M ΣM;d rekenwaarde van de momentensom, M ΣM;d 1/8 q s;d l 2 b M v1;u;d grensmoment van verbinding 1 M v2;u;d grensmoment van verbinding 2 α verhouding tussen horizontale en verticale belasting werkend op een raamwerk γ M0 materiaalfactor φ rotatie φ v;u;d rotatiecapaciteit van de verbinding η factor die de verhouding tussen C v;ini;d en de stijfheid te hanteren in de raamwerkberekening aangeeft ω kip kipfactor 10 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

12 3 INLEIDING 3.1 OPZET In deze inleiding wordt in paragraaf 3.2 behandeld op welke manier het ontwerp van de verbinding het ontwerp van het raamwerk kan beïnvloeden en omgekeerd. Vervolgens worden in paragraaf 3.3 belangrijke begrippen behandeld, die gebruikt worden om het gedrag van momentverbindingen te beschrijven. In paragraaf 3.4 en 3.5 wordt ingegaan op twee belangrijke aspecten van het gebruik van momentverbindingen, namelijk classificatie en modellering. Tenslotte wordt in paragraaf 3.6 beschreven hoe in de praktijk vaak met momentverbindingen wordt omgegaan. Daaruit komt naar voren, dat er twee ontwerptaken zijn waarin verbindingen een rol spelen: het hoofdontwerp, dat wil zeggen het ontwerp van liggers en kolommen waarbij tevens de uitgangspunten voor het ontwerp van de verbindingen worden vastgelegd; het detailontwerp, dat wil zeggen de geometrie van de verbindingen. Deze paragraaf wordt afgesloten met een uitleg van de opzet van deze publicatie. Deze publicatie gebruikt de herziene Annex J van ENV Eurocode 3, Design of steelstructures als basis (zie hoofdstuk 2 Symbolen en normen ). Annex J van ENV heeft veel overeenkomsten met Bijlage A van NEN 6772, maar er zijn ook enkele verschillen. De belangrijkste verschillen zijn: een herziene structuur van het document; uitbreiding van het aantal verbindingstypen; nieuwe formules voor de stijfheidsbepaling. De commissie heeft besloten deze publicatie op de herziene Annex J te baseren, op grond van de volgende redenen: Annex J reflecteert de nieuwste kennis; Annex J maakt deel uit van het conversiepakket van ENV- naar EN-standaard; In Annex J worden meer verbindingstypen behandeld. Gezien de overeenkomsten tussen de rekenregels van de herziene Annex J in combinatie met het NAD (National Application Document, NAD NVN ENV ) en de Bijlage A van NEN 6772, mag ervan uit worden gegaan dat met Annex J hetzelfde veiligheidsniveau bereikt wordt als met Bijlage A. De herziene Annex J van ENV zal hierna worden aangeduid als Annex J. De Annex is verkrijgbaar bij het Nederlands Normalisatie-instituut te Delft. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 11

13 3.2 INVLOED MOMENTVERBINDINGEN Stalen raamwerken in gebouwen worden meestal ontworpen met de aanname dat de verbindingen tussen liggers en kolommen óf zuiver scharnierend óf volledig stijf zijn. De werkelijke stijfheid ligt echter altijd tussen deze twee extremen in: de verbinding is flexibel. Daarnaast hebben verbindingen meestal een lagere momentsterkte dan de aan te sluiten liggers of kolommen. De momentsterkte is echter niet gelijk aan nul, zoals bij een zuiver scharnier. Als deze sterkte invloed heeft op de berekende krachtsverdeling in het raamwerk, wordt de verbinding niet-volledig sterk genoemd. Het is mogelijk om raamwerken te ontwerpen, rekening houdend met de flexibiliteit en de sterkte van de (moment)verbindingen. Ten eerste heeft de constructeur hierdoor invloed op de keuze van de verbinding zelf (deze hoeft niet langer scharnierend of volledig stijf te zijn). Ten tweede is de constructeur dan in staat door de keuze van de verbindingen invloed uit te oefenen op de optredende krachtsverdeling en de vervormingen in het raamwerk. Deze benadering voorziet in een grotere ontwerpvrijheid voor de constructeur en kan leiden tot een kostenbesparing. Bij het ontwerp van een staalconstructie met flexibele en niet-volledig sterke momentverbindingen zijn, kort samengevat, de volgende voordelen te behalen: Geschoorde raamwerken: Door rekening te houden met de rotatiestijfheid en de sterkte van de verbindingen in het raamwerkontwerp kunnen de liggerhoogte en dus de constructiehoogte gereduceerd worden ten opzichte van een ontwerp met scharnierende verbindingen. Hierdoor gaan de materiaalkosten omlaag. Tevens kunnen tijdens de bouwfase tijdelijke schoren vermeden worden. Ongeschoorde raamwerken: Door rekening te houden met de rotatiestijfheid en de sterkte van de verbindingen in het raamwerkontwerp kunnen verstijvingen weggelaten worden, waardoor de constructiekosten omlaag gaan, zelfs indien verzwaarde profielen worden toegepast. Deze voordelen worden toegelicht door een eenvoudige ligger op twee steunpunten in beschouwing te nemen. In de volgende drie afbeeldingen is een ligger getekend met een gelijkmatig verdeelde belasting. Indien de verbindingen scharnierend zijn, treedt het maximale moment op in het veld (afbeelding 3.1). Als de verbindingen stijf zijn (afbeelding 3.2), treedt het maximale moment op ter plaatse van het steunpunt. Bij een ligger op twee steunpunten met stijve verbindingen is het verbindingsmoment tweemaal het veldmoment. Het is ook mogelijk om voor een verbinding te kiezen, die tussen scharnierend en stijf in zit (afbeelding 3.3). Door het kiezen van een geschikte verbindingsstijfheid kunnen veldmoment M bm en verbindingsmoment M v bijvoorbeeld aan elkaar gelijk gemaakt worden. 12 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

14 3.1 Ligger op twee steunpunten, met scharnierende verbindingen. 1 q 8 b Ligger op twee steunpunten, met stijve verbindingen. 1 q 8 b Ligger op twee steunpunten, met flexibele verbindingen. M v M bm 1 q 8 b 2 Stel dat de krachtsverdeling in de ligger eerste-orde elastisch bepaald wordt. In dat geval kunnen veldmoment M bm en verbindingsmoment M v bepaald worden als functie van de verbindingsstijfheid C v;d (zie de bovenste grafiek van afbeelding 3.4). Wat opvalt in de afbeelding is dat slechts een lage verbindingsstijfheid nodig is om een aanzienlijke reductie van het veldmoment te bewerkstelligen. Als bijvoorbeeld de verbindingsstijfheid gelijk is aan C v;d = 2E d I bm l b, is het veldmoment nog maar tweederde van het veldmoment bij een ligger met scharnierende verbindingen. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 13

15 3.4 Momenten en vervormingen in een ligger hangen af van de stijfheid van de verbindingen. 1 1 M q b 2 v + M bm = 8 M 1 q 8 b M bm M v M bm M v C v;d b E d I bm 1 D 5q b 4 384E d I bm C v;d b E d I bm De invloed van een kleine verbindingsstijfheid is nog groter op de vervormingen dan op de krachtsverdeling. Dit wordt geïllustreerd met de onderste grafiek van afbeelding Een verbindingsstijfheid van C v;d = 2E d I bm l b geeft een reductie tot 5 van de doorbuiging in vergelijking met zuiver scharnierende oplossingen. De hierboven geschetste reductie lijkt misschien niet groot, maar in de praktijk kunnen reducties optreden in liggerprofiel van bijvoorbeeld een IPE 500 naar een IPE 450. Vooral bij grotere liggeroverspanningen levert dit een aanzienlijk besparing op in materiaalgebruik. Hieronder is door middel van een voorbeeld weergegeven welke kostenbesparingen kunnen optreden door aandacht te geven aan het ontwerp van de verbindingen in een geschoord raamwerk. In de afbeeldingen 3.5, 3.6 en 3.7 zijn van een raamwerk drie varianten getoond. 14 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

16 Afbeelding 3.5 toont een raamwerk met scharnierende verbindingen. De liggers zijn respectievelijk IPE 450 en HE 450 A. Afbeelding 3.6 toont een variant met stijve verbindingen. De liggerprofielen zijn nu lichter, namelijk IPE 360 en HE 400 A, maar de kolommen zijn zwaarder dan bij de scharnierende verbindingen. In afbeelding 3.7 is een variant gegeven met flexibele verbindingen. Deze zit wat betreft de profielkeuze tussen de variant met stijve verbindingen en de variant met scharnierende verbindingen in. 3.5 Raamwerk met scharnierende verbindingen. IPE 450 HE 160A HE 160A HE 450A HE 200A Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 15

17 3.6 Raamwerk met stijve verbindingen. IPE 360 HE 220B HE 220B HE 400A HE 200A 3.7 Raamwerk met flexibele verbindingen. IPE 400 HE 180A HE 180A HE 400A HE 200A 16 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

18 Van de varianten is een prijsvergelijking gemaakt op basis van 10 portalen, waarbij windverbanden niet in de prijsbepaling zijn meegenomen. De resultaten zijn in tabel 3.8 getoond. Uit de prijsvergelijking blijkt, dat het raamwerk met de scharnierende verbindingen per kilogram het goedkoopst is, maar dat de absolute kosten van het raamwerk met flexibele verbindingen het laagst zijn. Dit komt, doordat het aantal kilo s in deze constructie het laagst is. De oplossing met flexibele verbindingen blijkt 3% goedkoper dan het raamwerk met scharnierende verbindingen. 3.8 Voorbeeld prijsvergelijking geschoord raamwerk. stijf scharnierend flexibel massa kg 111 % kg 108 % kg 100 % productietijd 139,7 mu 125 % 81,6 mu 73 % 111,5 mu 100 % kosten per kg fl. 1, % fl. 1,49 96 % fl. 1, % totale kosten fl , 111 % fl , 103 % fl , 100 % 3.3 BEGRIPPEN Hierboven zijn enkele begrippen geïntroduceerd, die wellicht toelichting behoeven. Het betreft begrippen als verbindingssterkte en verbindingsstijfheid. Omdat het verbindingsgedrag in het algemeen een sterk niet-lineair karakter heeft, worden in normen als Annex J strikte definities van deze begrippen gegeven. Er dient te worden opgemerkt, dat de hierna volgende definities betrekking hebben op de ontwerpkarakteristieken van een verbinding. Dit is een schematisering van het werkelijke gedrag van de verbinding, waarbij effecten als membraanwerking niet meegenomen zijn. Hiermee wordt aangesloten bij de gebruikelijke schematisering van ligger- en kolomgedrag in ontwerpberekeningen. In momentverbindingen wordt over het algemeen een buigend moment overgedragen tussen de aangesloten delen via de verbinding. Dit moment M v;s;d domineert in het algemeen het gedrag van de verbinding boven de invloed van eventuele normaalkracht en dwarskracht. Het moment gaat samen met een rotatie φ tussen de aaneengesloten profielen. Het verband tussen deze twee grootheden wordt aangeduid als moment-rotatiediagram. Een voorbeeld van een moment-rotatiediagram is gegeven in afbeelding 3.9. De verhouding tussen M en φ wordt aangeduid als secant stijfheid C v;d. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 17

19 3.9 Moment-rotatiediagram van een momentverbinding. M v;u;d M v;s;d 2 3 M v;u;d C v;d M C v;ini;d M v;u;d De maximale waarde van M wordt de momentcapaciteit M v;u;d van de verbinding genoemd. 2 De stijfheid die optreedt bij momenten kleiner dan 3 M v;u;d wordt aangeduid als elastische of initiële stijfheid C v;ini;d. De maximale rotatie in de verbinding, die kan optreden in de verbinding, wordt aangeduid als rotatiecapaciteit φ v;u;d. Het moment-rotatiediagram wordt berekend op grond van de mechanische eigenschappen (sterkte, stijfheid en rotatiecapaciteit) van de individuele componenten (bouten op trek, platen op buiging etc.) in de verbinding. 3.4 CLASSIFICATIE In vele gevallen is de stijfheid of de sterkte van een verbinding zo hoog, dat de verbinding het gedrag van het raamwerk niet of nagenoeg niet beïnvloedt. Het is alsof een volledig continue aansluiting is toegepast. Om de invloed van de verbinding op het gedrag van het raamwerk in kaart te brengen, is in ENV een classificatiesysteem geïntroduceerd, waarbij de verbinding geclassificeerd wordt naar stijfheid of naar sterkte. Deze classificatie kan gebruikt worden om na te gaan of de aansluiting tussen de staven al dan niet als continu beschouwd mag worden. Wat van de classificatie van de verbinding gebruikt wordt (naar stijfheid danwel naar sterkte), hangt af van het type raamwerkberekening, dat wordt uitgevoerd. In het algemeen wordt onderscheid gemaakt tussen een aantal typen raamwerkberekening. Elk van de typen geeft een andere krachtsrespons van een raamwerk. De verschillende typen raamwerkberekening zijn geïllustreerd aan de hand van afbeelding lijn 1, eerste-orde elastisch (geometrisch en fysisch lineair); lijn 2, eerste-orde plastisch (geometrisch lineair en fysisch niet-lineair); lijn 3, tweede-orde elastisch (geometrisch niet-lineair en fysisch lineair); lijn 4, tweede-orde plastisch (geometrisch en fysisch niet-lineair); lijn 5, eerste-orde elastisch-plastisch (geometrisch lineair en fysisch niet-lineair); lijn 6, tweede-orde elastisch-plastisch (geometrisch en fysisch niet-lineair). 18 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

20 In afbeelding 3.10 stelt lijn 7 de Eulerse kniklast voor van het raamwerk Krachtsrespons voor verschillende raamwerkberekeningen. F F E F Sd F Sd F Sd u F pl 2 F Sd F Sd F c F u F Sd F Sd u Als er elastische raamwerkberekeningen worden uitgevoerd, kan geclassificeerd worden naar stijfheid. Indien plastische raamwerkberekeningen worden uitgevoerd, dan kan geclassificeerd worden naar sterkte. Als elastisch-plastische raamwerkberekeningen worden uitgevoerd, kan zowel naar stijfheid als naar sterkte geclassificeerd worden. Eén en ander is samengevat in tabel Classificatie afhankelijk van het type raamwerkberekening (zowel eerste- als tweede-orde). raamwerkberekening classificatie verbinding elastisch stijf flexibel scharnierend plastisch volledig sterk niet-volledig sterk scharnierend elastisch-plastisch stijf, volledig sterk flexibel, volledig sterk stijf, niet-volledig sterk flexibel, niet-volledig sterk scharnierend Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 19

21 In de praktijk wordt veelal eerste- of tweede-orde elastisch gerekend. Daarom wordt er in deze publicatie veel aandacht besteed aan de stijfheid van verbindingen. De classificatie van de verbinding naar stijfheid is gebaseerd op het principe, dat de draagkracht van een raamwerk met eindig stijve verbindingen ten hoogste 5% lager mag zijn dan een raamwerk met oneindig stijve verbindingen. De classificatie is zo opgesteld, dat deze alleen afhankelijk is van de liggereigenschappen. Dit is een vereenvoudiging, die is doorgevoerd om tot praktische ontwerpregels te komen. De hieruit volgende ontwerpregels van ENV en NEN 6772 zijn verschillend voor geschoorde en ongeschoorde raamwerken. De stijfheid van verbindingen in ongeschoorde raamwerken heeft in het algemeen een grotere invloed op de respons van het raamwerk dan de stijfheid van verbindingen in geschoorde raamwerken: C v;ini;d 25 E d I bm l b voor ongeschoorde raamwerken, C v;ini;d 8E d I bm l b voor geschoorde raamwerken, Hierin is: C v;ini;d de initiële stijfheid volgens Annex J; E d de elasticiteitsmodulus, E d = N/mm 2 ; I bm het traagheidsmoment van de ligger; de lengte van de ligger. l b 3.12 Classificatie verbinding in een geschoord raamwerk. C v;ini;d 8E d I bm M b In afbeelding 3.12 is een voorbeeld gegeven van een verbinding met een moment-rotatiediagram waarvan wordt nagegaan of deze stijf is in een geschoord raamwerk. ligt, mag de verbinding als stijf worden geclassi- Omdat de waarde van C v;ini;d boven ficeerd. 8E d I bm l b 20 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

22 Een verbinding die als stijf geclassificeerd wordt, mag uiteraard ook als flexibel beschouwd worden. Met andere woorden: de verbindingstijfheid mag altijd in rekening worden gebracht in een raamwerkberekening. De classificatie naar sterkte is in het algemeen veel eenvoudiger. Volledig sterk betekent, dat de verbinding een hogere momentcapaciteit heeft dan de zwakste van de aan te sluiten staven (Noot: In NEN 6772 staat dat de verbinding een hogere momentcapaciteit dient te hebben dan de aan te sluiten ligger. In Annex J is dit verruimd tot de aangesloten staven). Niet-volledig sterk betekent, dat de verbinding een lagere momentcapaciteit heeft. Indien plastisch wordt gerekend, kunnen door de juiste keuze van de sterkte van de verbindingen, de liggers en kolommen optimaal worden benut, waardoor economische oplossingen ontstaan. Dit leidt in het algemeen tot niet-volledig sterke verbindingen. 3.5 MODELLERING Bij een flexibele verbinding wordt de stijfheid gemodelleerd als een veer. Hoewel de verbinding een ruimtelijk element is, met afmetingen gelijk aan de kolombreedte maal de kolomhoogte en de liggerhoogte, mag deze veer gekozen worden in de kruising van de hartlijnen tussen ligger en kolom (zie afbeelding 3.13). Met behulp van studies is namelijk aangetoond, dat deze vereenvoudiging voldoende nauwkeurige resultaten geeft voor praktisch gebruik Schematisering van de veer op de kruising van de hartlijnen tussen ligger en kolom. Uit afbeelding 3.9 blijkt, dat het stijfheidsgedrag van een verbinding niet-lineair is. Er kan bijvoorbeeld worden afgelezen, dat de secant stijfheid van de verbinding voor momenten 2 hoger dan van het bezwijkmoment van de verbinding en lager dan de initiële stijfheid is. 3 Hoeveel lager hangt af van het moment in de verbinding (en het moment in de verbinding hangt af van de stijfheid, die aan de veer in de raamwerkberekening is toegekend). Om iteratieve procedures te vermijden mag een gereduceerde verbindingsstijfheid in de raamwerkberekeningen in rekening worden gebracht gelijk aan: C v;ini;d η Voor de waarde van η wordt verwezen naar Annex J. Voor enkele verbindingstypen is η gegeven in tabel Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 21

23 3.14 Factor η te gebruiken in een elastische raamwerkberekening voor kopplaat- en gelaste liggerkolomverbindingen. uiterste grenstoestand η = 2 bruikbaarheidsgrenstoestand η = 2 indien verwacht wordt, dat de krachten hoger zijn dan η = 1 indien verwacht wordt, dat de krachten lager zijn dan 2 3 M v;u;d 2 3 M v;u;d Indien in de bruikbaarheidsgrenstoestand de verbindingsstijfheid gelijk gekozen wordt aan C v;ini;d (η = 1), dient getoetst te worden, dat de momenten, zoals die uit de raamwerkberekening volgen, onder blijven. Anders kan beter η = 2 in rekening worden gebracht bij 2 3 M v;u;d de modellering van de veer Modellering van een niet-lineaire curve door een lineaire veerstijfheid in een raamwerkberekening, η = 2. M v;u;d 1 2 C v;ini;d C v;ini;d M v;u;d In afbeelding 3.15 is getoond hoe de lineaire veer boven de niet-lineaire kromme uitsteekt voor momenten, die bijna gelijk zijn aan M v;u;d. Dit lijkt onveilig. Uit studies blijkt echter, dat een veerstijfheid van C v;ini;d / 2 (η = 2) toch acceptabel is, omdat in de praktijk slechts een beperkt aantal verbindingen tegelijk tot bezwijken wordt gebracht. De onderschatting van de rotatie in de verbindingen die tot M v;u;d worden belast, wordt derhalve gecompenseerd door de overschatting van de rotatie in de verbindingen, die nauwelijks worden belast. Dit wordt verduidelijkt in afbeelding Momentenverdeling in een eenvoudig raamwerk. M A M B M C C v;d C v;d geometrie momenten 22 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

24 Moment M A in afbeelding 3.16 is betrekkelijk laag, dus in de linkerverbinding zal de stijfheid gelijk zijn aan C v;ini;d. Moment M C is hoog, dus daar treedt een secant stijfheid op in de verbinding, die hoort bij M v;u;d, bijvoorbeeld C v;ini;d /3 (η = 3). Indien nu beide verbindingen gemodelleerd worden met een veerstijfheid gelijk aan C v;ini;d /2 (η = 2) dan leidt deze vereenvoudiging tot een respons die ongeveer gelijk is aan de respons die zou zijn gevonden,als links een veerstijfheid van C v;ini;d en rechts een veerstijfheid van C v;ini;d / 3 gehanteerd zou zijn. Bovenstaand voorbeeld is heel eenvoudig en dient ter illustratie van het principe. De regels in tabel 3.14 zijn namelijk gevalideerd met complete constructies, die geometrisch en fysisch niet-lineair zijn berekend. 3.6 DE PRAKTIJK Het ontwerp van momentverbindingen speelt zich meestal af in twee fasen van het ontwerpproces van een staalconstructie (zie schema 3.17). De eerste fase betreft het ontwerp van de hoofddraagconstructie. In deze fase dienen de eigenschappen van de verbinding in het ontwerp van de hoofddraagconstructie betrokken te worden. Dit kan op verschillende manieren. Zo kunnen de verbindingen bijvoorbeeld als stijf (in het geval van een elastische raamwerkberekening) aangenomen worden. Daarbij dient nagegaan te worden of de verbinding economisch uitvoerbaar is. Verder is het bijvoorbeeld mogelijk, de stijfheid of de sterkte van de verbindingen expliciet op te nemen in de raamwerkberekening. Dit betrekken van de verbindingen in het hoofdontwerp zal hierna worden aangeduid als voorontwerp van de verbindingen. In de tweede fase dienen de krachten, zoals vastgesteld in de raamwerkberekening als basis voor het bepalen van de geometrie van de verbindingen. Verder dienen deze verbindingen ook nog voldoende sterk, flexibel of stijf gemaakt te worden om de aannames waar te maken, die bij de raamwerkberekening gedaan zijn over de verbindingen (sterkte of stijfheid). Als laatste speelt mogelijk de vervormingscapaciteit een rol. Dit alles zal hierna worden aangeduid als detailontwerp van de verbindingen. Hoewel voorontwerp en detailontwerp, zoals hierboven beschreven, niet altijd in twee aparte fasen worden uitgevoerd, is dit in deze publicatie wel als uitgangspunt gekozen. Deze publicatie richt zich op twee doelgroepen. Ten eerste bevat zij informatie voor degenen, die betrokken zijn bij het ontwerp van de hoofddraagconstructie. Door de juiste verbindingen en afmetingen van kolommen en liggers te kiezen, is het namelijk mogelijk om tot economische oplossingen te komen. Deze oplossingen vergen wellicht meer kilogrammen profielstaal, maar geven een aanzienlijke besparing op arbeid bij het maken van de verbinding. De hulpmiddelen, die in hoofdstuk 4 worden aangereikt, richten zich in sterke mate op het voorontwerp van de verbindingen. In hoofdstuk 5 is aangegeven op welke manier de hulpmiddelen voor het voorontwerp kunnen worden ingezet in het ontwerpproces van een staalconstructie. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 23

25 In hoofstuk 6 is aangegeven welke informatie minimaal vanuit het hoofdontwerp naar het detailontwerp zou moeten worden overgedragen via een staaltekening. Ten tweede richt deze publicatie zich op degenen, die betrokken zijn bij het detailontwerp. In hoofdstuk 5 is aangegeven aan welke sterkte- en stijfheidseisen de te ontwerpen verbindingen moeten voldoen. Voor het ontwerp van een verbinding heeft de detailontwerper een grote keuzevrijheid. Zo kan bijvoorbeeld gevarieerd worden met boutplaatsing, schotten, consoles, boutdiameter, dikte van kopplaten etc. Hiertoe zijn aanwijzingen gegeven in hoofdstuk momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

26 3.17 Ontwerp van een staalconstructie. mechanisch model raamwerk (geometrie, liggers, kolommen) + verbindingen (stijf / flexibel / (niet-)volledig sterk) 1 2 bepalen van de belastingen 3 voorontwerp keuze en classificatie liggers, kolommen en verbindingen 4 raamwerkberekening stijve, flexibele of (niet-) volledig sterke verbindingen 5 toetsing van de grenstoestanden (uiterste- en bruikbaarheids-) nee liggers en kolommen OK? 6 ja hoofdontwerp ontwerp van verbindingen (stijfheid, sterkte en rotatiecapaciteit) detailontwerp 7 nee, andere liggers of kolommen (uitsluitend in bijzondere omstandigheden) 8 verbindingen OK? nee, andere verbinding ja KLAAR 9 Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 25

27 26 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

28 4 VOORONTWERP 4.1 OPZET In dit hoofdstuk worden methoden behandeld voor het voorontwerp van een draagconstructie met inbegrip van de verbindingen. Het is voor de economie essentieel, dat bij de keuze van de ligger- of kolomafmetingen rekening gehouden wordt met de verbindingen tussen de liggers en kolommen. Als bijvoorbeeld de ligger- en kolomafmetingen relatief licht gekozen worden, moeten de verbindingen worden voorzien van verstijvingen en versterkingen. Dit laatste is arbeidsintensief en kan leiden tot weinig economische constructies. Anderzijds, indien gekozen wordt voor zwaardere liggers of kolommen, kan weliswaar volstaan worden met eenvoudiger verbindingen, maar dient er meer te worden geïnvesteerd in materiaalkosten en kosten voor anticorrosiebehandeling. De laatste jaren is de tendens dat de arbeidskosten sneller stijgen dan de materiaalkosten. Derhalve is het in het algemeen gunstig de kolommen en de liggers zwaarder te kiezen, opdat met betrekkelijk eenvoudige (onverstijfde) verbindingen volstaan kan worden. In dit hoofdstuk zijn hulpmiddelen aangereikt, die gebruikt kunnen worden om vast te stellen wat economische verbindingen zijn tussen ligger en kolom. Deze hulpmiddelen zijn gericht op een situatie waarin het hoofdontwerp en het detailontwerp als twee achter elkaar uitgevoerde ontwerptaken worden verricht. In paragraaf 4.2 worden hulpmiddelen gegeven om de stijfheid van verbindingen te benaderen tijdens het voorontwerp. In paragraaf 4.3 volgen soortgelijke hulpmiddelen voor het benaderen van de verbindingssterkte. In hoofdstuk 5 wordt toegelicht op welke wijze de hulpmiddelen gebruikt kunnen worden in een drietal verschillende gevallen: toepassing bij een elastische raamwerkberekening met stijve verbindingen; toepassing bij een elastische raamwerkberekening met flexibele verbindingen; toepassing bij een plastische raamwerkberekening met niet-volledig sterke verbindingen. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 27

29 4.2 BENADERING VERBINDINGSSTIJFHEID Een belangrijke stap tijdens het voorontwerp is op een eenvoudige manier vaststellen wat de stijfheid van een verbinding is, zonder een gedetailleerde berekening uit te voeren. Hiertoe zijn benaderingsformules ontwikkeld gebaseerd op Annex J. In Annex J wordt de volgende stijfheidsformule gegeven: C v;d = E d z 2 μσ 1 k i waarin: C v;d de secant rotatiestijfheid van een verbinding volgens Annex J; E d de elasticiteitsmodulus, E d = N/mm 2 ; z de momentenarm in de verbinding, bijvoorbeeld z = (h b t f;b ) voor gelaste verbindingen. Voor de bepaling van z wordt naar Annex J verwezen; μ een factor groter dan of gelijk aan 1, μ = 1 voor de initiële stijfheid; de stijfheidscoëfficiënt van een component. k i De initiële stijfheid is nu: C v;ini;d = E dz 2 Σ 1 k i Ter vereenvoudiging wordt gesteld, dat alle onderdelen in een verbinding proportioneel zijn met de flensdikte van de kolom. Dan kan de term Σ 1 / k i vervangen worden door een flexibiliteitsterm k f /t f;c. Hierin is k f een dimensieloze flexibiliteitsfactor die alleen afhangt van de geometrie van de verbinding (zie tabel 4.2). De initiële stijfheid (μ = 1) van een verbinding kan dan benaderd worden met de volgende formule: C v;ini;ben;d E d z 2 t f;c k f waarin: C v;ini;ben;d de benaderde initiële rotatiestijfheid van een verbinding. De index ben staat voor benadering. In de benaderingsformules dient de momentenarm z ingevoerd te worden. Deze arm mag worden benaderd. Suggesties hiervoor zijn gegeven in tabel momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

30 4.1 Benadering momentenarm z. verbindingstype momentenarm gelaste verbindingen en uitstekende kopplaatverbindingen zonder consoles z h b niet-uitstekende kopplaatverbindingen zonder consoles z 0,8 h b gelaste verbindingen en uitstekende kopplaatverbindingen met flensversterkte console in de drukzone, consolehoogte gelijk aan de helft van de liggerhoogte z 1,5 h b niet-uitstekende kopplaatverbindingen met flensversterkte console in de drukzone, consolehoogte gelijk aan de helft van de liggerhoogte z 1,3 h b gelaste verbindingen en uitstekende kopplaatverbindingen met flensversterkte console in de drukzone, consolehoogte gelijk aan de liggerhoogte z 2 h b niet-uitstekende kopplaatverbindingen met flensversterkte console in de drukzone, consolehoogte gelijk aan de liggerhoogte z 1,8 h b De benaderingsformules zijn gebaseerd op de volgende aannamen bij geboute verbindingen: minimaal twee boutrijen in de trekzone van de verbinding; de boutdiameter is ongeveer 1,5 maal de flensdikte van de kolom; de kopplaat is ongeveer even dik als de kolomflens; de bouten zijn zo dicht mogelijk geplaatst bij liggerflens, liggerlijf en kolomlijf als dat mogelijk is in verband met het aandraaien van de bouten. Voor gelaste verbindingen gelden geen speciale ontwerpaanwijzingen. Uiteraard hangt de nauwkeurigheid van deze benadering samen met de mate van proportioneel zijn van de onderdelen in de verbinding met de kolomflensdikte t f;c. Omdat een verbinding uit verschillende componenten bestaat, wordt voor de ene component de flexibiliteit te hoog geschat en voor de andere component te laag. Hierdoor komt het resultaat van de berekening met de benaderingsformule in het algemeen redelijk overeen met de voorspelling op grond van Annex J. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 29

31 4.2 Flexibiliteitsfactor k f voor ligger-kolomverbindingen. type uitvoering kf gebout 1 uitstekende kopplaat, onverstijfd, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 13 gebout 1 uitstekende kopplaat, onverstijfd, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 7,5 gebout 1 uitstekende kopplaat, verstijfd in trek- en drukzone, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 8,5 gebout 1 uitstekende kopplaat, verstijfd in trek- en drukzone, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 3 gebout 1 uitstekende kopplaat, morrisverstijving, enkelzijdig z 3 gebout 1 korte kopplaat, onverstijfd, afdekplaat, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 11,5 gebout 1 korte kopplaat, onverstijfd, afdekplaat, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 6 gelast 1 onverstijfd, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 11,5 gelast 1 onverstijfd, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 6 gelast 1 verstijfd in trek- en drukzone, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 5,5 gelast 1 verstijfd in trek- en drukzone, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z 0 Het volgende voorbeeld toont, hoe de initiële verbindingsstijfheid wordt benaderd. 30 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

32 Voorbeeld benadering initiële verbindingsstijfheid Stel een kolom HE 340 A wordt aangesloten op een ligger IPE 500. Het betreft een enkelzijdige verbinding met doorgaande kolom. Er wordt gekozen voor een onverstijfde verbinding met uitstekende kopplaat. Selectie flexibiliteitsfactor k f (zie tabel 4.2): k f = 13.. Benadering van de momentenarm z in de verbinding. Deze wordt gelijk genomen aan de liggerhoogte: z = 500 mm De kolomflensdikte t f;c van de kolom HE 340 A is: t f;c = 16,5 mm De initiële verbindingsstijfheid is nu bij benadering: C v;ini;ben;d E dz 2 t f;c = ,5 =66, Nmm/rad k f BENADERING VERBINDINGSSTERKTE Analoog aan de benaderingsformule voor stijfheid kan ook een benaderingsformule voor sterkte worden gegeven. Deze benaderingsformule heeft de vorm: M v;u;ben;d = k 2 s f y;d zt f;c γ M0 waarin: M v;u;ben;d de benaderde momentcapaciteit van de verbinding; f y;d de vloeisterkte, f y;d = 235 N/mm 2 voor S235; z de momentenarm in de verbinding (zie tabel 4.1); k s een sterktefactor afhankelijk van de bezwijkvorm in een verbinding; t f;c de kolomflensdikte (mm); de materiaalfactor, γ M0 = 1,0 voor ENV met NAD. γ M0 De factor k s hangt af van de bezwijkvorm van de verbinding. In het geval van een onverstijfde dubbelzijdige ligger-kolomverbinding is dit de bezwijkvorm kolomlijf op druk of kolomlijf op trek. Bij onverstijfde, enkelzijdige ligger-kolomverbindingen is dit de bezwijkvorm kolomlijf op afschuiving. Er wordt aangenomen dat boutbreuk of kopplaatbuiging niet de bezwijkvorm van de verbinding vormt. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 31

33 De benaderingsformules zijn gebaseerd op de volgende aannamen bij geboute verbindingen: minimaal twee boutrijen in de trekzone van de verbinding; de boutdiameter is ongeveer 1,5 maal de kolomflensdikte; de kopplaat is ongeveer even dik als de kolomflens; de bouten zijn zo dicht mogelijk geplaatst bij liggerflens, liggerlijf en kolomlijf als dat mogelijk is in verband met het aandraaien van de bouten. Voor gelaste verbindingen gelden geen speciale ontwerpaanwijzingen. De benaderingsformule is een grove benadering. De nauwkeurigheid van de benaderingsformule hangt namelijk samen met de in werkelijkheid optredende bezwijkvorm in de verbinding. Bij de benaderingsformules is het uitgangspunt dat de bezwijkvorm kolomlijf op afschuiving is voor enkelzijdige verbindingen en dat de bezwijkvorm kolomlijf op druk is voor dubbelzijdige verbindingen. Indien de bezwijkvorm in werkelijkheid een ander mechanisme is, bijvoorbeeld bouten op trek, dan kan de benadering serieus afwijken van de ontwerpsterkte. Daarom kan de benadering alleen als een indicatieve waarde gebruikt worden en dient de ontwerpsterkte van toegepaste verbindingen ergens in het ontwerpproces getoetst te worden aan de optredende belastingen. De waarde van k s is bepaald door voor een groot aantal verbindingen de verhouding tussen 2 M v;u;d en f y;d zt f;c te bepalen. Dit leverde de resultaten van tabel 4.3. γ M0 4.3 Sterktefactor k s als functie van de bezwijkvorm. bezwijkvorm k s kolomlijf in druk of kolomlijf in trek 7 kolomlijf op afschuiving 5 Door aan te nemen dat de bezwijkvormen van tabel 4.3 de enige bezwijkvormen zijn, die in verbindingen voorkomen, kan per verbindingstype uit tabel 4.4 de factor k s gegeven worden. In deze tabel zijn drie verbindingen gegeven, die dermate versterkt zijn, dat kolomlijf op afschuiving of kolomlijf op trek en druk niet kunnen optreden. Bij deze verbindingen is k s hoger dan momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

34 4.4 Sterktefactor k s voor ligger-kolomverbindingen. type uitvoering ks gebout 1 uitstekende kopplaat, onverstijfd, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 5 gebout 1 uitstekende kopplaat, onverstijfd, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 7 gebout 1 uitstekende kopplaat, verstijfd in trek- en drukzone, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 5 gebout 1 uitstekende kopplaat, verstijfd in trek- en drukzone, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z >7 gebout 1 uitstekende kopplaat, morrisverstijving, enkelzijdig z >7 gebout 1 korte kopplaat, onverstijfd, afdekplaat, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 5 gebout 1 korte kopplaat, onverstijfd, afdekplaat, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 7 gelast 1 onverstijfd, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 5 gelast 1 onverstijfd, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z z 7 gelast 1 verstijfd in trek- en drukzone, enkelzijdig 2 idem, met flensverstijfde console z z 5 gelast 1 verstijfd in trek- en drukzone, dubbelzijdig, symmetrisch 2 idem, met flensverstijfde console z >7 Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 33

35 Voorbeeld benadering verbindingssterkte Stel een kolom HE 340 A wordt aangesloten op een ligger IPE 500. Het betreft een enkelzijdige verbinding met doorgaande kolom. Er wordt gekozen voor een onverstijfde verbinding met uitstekende kopplaat. De staalsoort is S235 (f y;d = 235 N/mm 2 ) Selectie sterktefactor k s (zie tabel 4.4): k s = 5 Benadering van de momentenarm z in de.. verbinding. Deze wordt gelijk genomen aan de liggerhoogte: z = 500 mm De kolomflensdikte t f;c van de kolom HE 340 A is: t f;c = 16,5 mm De momentcapaciteit is nu bij benadering: M v;u;ben;d = k 2 s f y;d zt f;c ,52 γ = = Nmm M momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

36 5 ONTWERPMETHODEN 5.1 STIJVE VERBINDINGEN In de praktijk wordt vaak gekozen voor een elastische raamwerkberekening in combinatie met stijve verbindingen. Met stijve verbindingen kunnen op eenvoudige wijze het hoofdontwerp en het detailontwerp als twee aparte ontwerptaken, zonder enige interactie, worden uitgevoerd. Het blijkt echter dat stijve verbindingen duur kunnen zijn, vanwege de benodigde verstijvingen. Daarom is het een taak van de hoofdontwerper om na te gaan, of de stijve verbindingen economisch en vooral uitvoerbaar zijn. In diagram 5.1 zijn de stappen uit het ontwerpproces van een raamwerk met stijve verbindingen en een elastische raamwerkberekening weergegeven. Hieronder volgt een korte toelichting. Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 35

37 5.1 Ontwerpproces met stijve verbindingen en elastische raamwerkberekening. 1 mechanisch model raamwerk verbindingen (stijf) 2 bepalen van de belastingen 3 voorontwerp liggers, kolommen en verbindingen elastische raamwerkberekening stijve verbindingen 4 toetsing liggers en kolommen grenstoestanden (uiterste- en bruikbaarheids-) schattingstoets sterkte verbindingen 5 nee liggers en kolommen OK? 6 ja hoofdontwerp ontwerp van verbindingen (stijfheid, sterkte) detailontwerp 7 nee, andere liggers of kolommen verbindingen OK? nee, andere verbinding 8 ja KLAAR 9 Stap 1: Mechanisch model. Er wordt een stijve aansluiting verondersteld tussen de staven. Met andere woorden, de benaderde initiële stijfheid is oneindig: C v;ini;ben;d = Een stijve verbinding is eenvoudig te modelleren in een raamwerkberekening. 36 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap

38 Stap 2: Bepaling belastingen. De belastingen dienen bepaald te worden volgens de vigerende normen. Als resultaat zullen een aantal belastingcombinaties gevonden worden. Stap 3: Voorontwerp. Het voorontwerp van liggers en kolommen geschiedt vaak op grond van de ervaring van de constructeur. In deze paragraaf wordt verder aandacht besteed aan het voorontwerp van de verbindingen. Indien in de raamwerkberekening wordt aangehouden dat een verbinding stijf is, dienen de uiteindelijk te ontwerpen verbindingen volgens Annex J aan de volgende stijfheidseisen te voldoen: C v;ini;d 25 E d I bm l b voor ongeschoorde raamwerken; C v;ini;d 8E d I bm l b voor geschoorde raamwerken. Deze criteria bepalen in belangrijke mate de uiteindelijke geometrie van de verbindingen. Met de nomogrammen 5.3 en 5.4 kan een goede indruk verkregen worden van de geometrie van stijve momentverbindingen, als de afmetingen van het raamwerk en van de aangesloten profielen bekend zijn. De achtergronden zijn beschreven in de bijlage van dit rapport. Tabel 5.2 geeft aan welk schema moet worden gebruikt in welke situatie. Er wordt onderscheid gemaakt tussen enkelzijdige en dubbelzijdige verbindingen en tussen geschoorde en ongeschoorde raamwerken. 5.2 Nomogrammen voor het voorontwerp. type raamwerk enkelzijdige verbindingen dubbelzijdige verbindingen ongeschoord nomogram 5.3 nomogram 5.3 geschoord nomogram 5.3 nomogram 5.4 Staalbouwkundig Genootschap momentverbindingen 37

39 5.3 Dubbelzijdig en ongeschoord, enkelzijdig en geschoord, enkelzijdig en ongeschoord. 0,5 0,7 1 1,4 2 2,8 4 5,7 8 11, , ongeschoord geschoord 0,12 0,18 0,25 0,35 0,5 0,71 1 1,41 2 2,83 4 5,66 8 k f h b 2 z 2 b b b t f;b t f;c 38 momentverbindingen Staalbouwkundig Genootschap