Boutverbindingen

Inleiding

In essentie dragen boutverbindingen krachten over van een of meer elementen naar andere elementen en door naar de funderingen. Ze doen dit door drukspanning, trek en soms wrijving. Ze zijn geschikt voor bijna elk type verbinding. Vaker wel dan niet wordt echter de resulterende stijfheid van de verbinding niet heroverwogen in het algehele ontwerp, wat soms niet over het hoofd zou moeten worden gezien. Bouten komen in verschillende maten (zie hieronder) en kwaliteiten (boutmateriaal), afhankelijk van de norm en regio. In sommige landen (niet heel ver weg) hebben ze toegang tot zowel metrische als imperiale maten – wat soms een tweesnijdend zwaard kan zijn! Zoals ik ook ontdekt heb, zijn er apps voor smartphones en YouTube-video's die specificeerders en ingenieurs helpen...

Terugkijkend naar mijn constructielessen was een van de eerste verbindingen die we ondernamen een 'eenvoudige' boutverbinding genomen uit een voorbeeld stalen portaalframe. Om te laten zien hoe lang geleden dit was, gebruikten we een potlood en millimeterpapier! De berekeningen die volgden konden niet meer dan één kant van een A4-papier zijn geweest.

Hoe zijn de dingen veranderd!

In die vroege dagen had ik me nooit de veranderingen in methoden en redenering kunnen voorstellen – maar dat is een ander onderwerp, voor een andere dag en een ander artikel.

Boutverbindingen

De brandende vraag is: kan een boutverbinding ooit als 'eenvoudig' worden beschouwd, ook al worden ze vaak zo beschreven? Verbindingen zijn gecompliceerd (of we dat nu leuk vinden of niet) en het kost een ingenieur om ze te begrijpen en te ontwerpen. Er zijn zeker 'eenvoudige' vormen en ja - verbindingen kunnen nog steeds worden ontworpen en gecontroleerd met traditionele methoden, zeer zeker en dit is waar elke verbindingsingenieur zijn reis zou moeten beginnen, maar is er een betere manier?

Er zijn verschillende manieren om ontwerpen aan te pakken, maar veel opties vereenvoudigen het proces door een smal toepassingsvenster toe te staan of belangrijke effecten te negeren - een van de grootste problemen is nog steeds de afhankelijkheid van omhullende krachten en niet-samenvallende belastingseffecten.  Is dit een oversimplificatie die we echt zouden moeten vermijden? Waarschijnlijk! Veel bedrijven hebben een reeks spreadsheets aangenomen, maar dit roept ook zorgen op over verificatie en het actueel houden ervan.

Ik herinner me ook het schrijven van eindreacties op een tekening gebaseerd op alleen afschuiving en één belastingscombinatie – altijd voor de staalfabrikant om de verbinding te ontwerpen :-). Die dagen zijn definitief voorbij. Maar veel te veel ingenieurs proberen bij de oude manieren te blijven en de oude benadering te mengen met moderne codes en methoden – wat resulteert in slechte, inefficiënte, over-ontworpen verbindingen.

Voor- en nadelen van boutverbindingen

Boutverbindingen zijn geweldig omdat ze relatief eenvoudig te installeren, onderhouden en inspecteren zijn. Ze zijn misschien niet zo goedkoop te fabriceren als je denkt, omdat ze meermateriaal kunnen genereren, boutgaten hebben (die meer kosten) en grotere spanningsconcentraties. Ze kunnen ook leiden tot problemen op de bouwplaats (vanuit ervaring gesproken), waar de verkeerde bouten (of geen bouten) met de balk worden meegestuurd. In sommige situaties kunnen ze de ontwerper enig comfort bieden, aangezien er onveranderlijk enige extra capaciteit in een boutverbinding zit (als correct uitgevoerd). Echter, geen enkele verbinding is onfeilbaar! Veel falen is toegeschreven aan slechte boutdetails – ondersteboven geplaatst/verkeerde boutmontage voor het beoogde gebruik. Het is daarom zeer belangrijk om de detailleringsregels in overweging te nemen en eventuele speciale maatregelen moeten worden vermeld op de productie-/montage-tekeningen/informatie.

Proberen het proces te vereenvoudigen door een 'eenvoudige' verbinding te kiezen kan vaak resulteren in een duurdere verbinding om te fabriceren.  Het is mogelijk tijd om materiaalkosten en CO₂ meer te overwegen dan ontwerpkosten...

Omgekeerd, naarmate boutverbindingen gecompliceerder worden – hetzij door geometrie of toegepaste belasting, of beide – worden ze nog moeilijker te ontwerpen en code-controleren. Een eenvoudige benadering, mogelijk door een gecompliceerde verbinding op te breken in eenvoudigere delen, zal niet werken.

Ontwerp valkuilen

Er zijn veel mogelijke problemen die kunnen ontstaan bij het ontwerpen van een verbinding, maar veruit het meest gezien op onze helpdesk zijn de 'verrassende' trekkrachten in de bouten wanneer geen dergelijke kracht op de bout wordt toegepast.

Waar komen deze trekkrachten en trekspanningen vandaan? Ik zou u verwijzen naar het onderzoeken van hefboomkrachten die ontstaan door flexibele platen in uw verbindingsontwerp. Deze kunnen soms zwaarder wegen dan de afschuifkrachtcomponenten! Als zijnotitie, als u wilt zien hoe deze uw ontwerp kunnen beïnvloeden, probeer uw staalmateriaal met enkele ordes van grootte te verhogen, en (als u dit stapsgewijs doet), kunt u zien dat naarmate de flexibiliteit afneemt, de boutkrachten neigen naar het 'verwachte' resultaat.

Een ander aspect van boutverbindingen dat kan voorkomen is wanneer slip-kritische verbindingen of voorbelaste bouten vereist zijn. Dit beïnvloedt niet alleen de ontwerpbenadering maar ook het werk op de bouwplaats. Het testen en certificeren van dergelijke bouten op locatie is problematisch en duur. Als jonge ingenieur werd me verteld deze zo veel mogelijk te vermijden – ik vraag me af waarom?

Een bout gaat gewoonlijk door een boutgat.  Deze worden speling gaten genoemd.  Naarmate boutdiameters toenemen, neemt ook de diameter van het spelinggat toe (of zou moeten).  Bovendien, als een materiaalafwerking of oppervlaktebehandeling wordt toegepast, dan moeten de spelingen worden vergroot - galvanisatie is hier een goed voorbeeld.

Ik noemde aan het begin van dit artikel de benadering waarmee ik begon een eindreactie van een eenvoudige belastingscombinatie, gewoonlijk gefactoriseerd en vervolgensnaar boven afgerond. Dit zou zelfs getabelleerd kunnen zijn gebaseerd op de grootte van een element en zijn capaciteit. Deze benadering wordt nog steeds gebruikt in veel landen vandaag de dag, en kan leiden tot problemen in verbindingsontwerp. Het probleem is er een van evenwicht: het balanceren van de techniek met de resulterende details. Constructief ontwerp is geëvolueerd en zo ook de gebruikte software. Inderdaad, men zou kunnen beweren dat een constructie niet (efficiënt) kan worden ontworpen zonder software. Hoe maak je het beste gebruik van al deze software om je boutverbindingen te modelleren en ontwerpen?

De CBFEM benadering

Hoe benutten wij bij IDEA StatiCa de technologie achter CBFEM?  Deze methodologie is ingebouwd in IDEA StatiCa Connection. Bouten worden behandeld als afhankelijke niet-lineaire veren. Dit maakt het mogelijk om elke verbindingsgeometrie, met elke toegepaste belasting, te modelleren, berekenen en code-controleren. Bovendien kunnen de stabiliteit en andere effecten worden gecontroleerd – tenslotte is het onwaarschijnlijk dat de 'eenvoudige' benadering goed genoeg zal zijn!

Een van de vaak genoemde argumenten is dat dit een 'met een kanon op een mug schieten' benadering is. Echter, in recente releases maken we het nog gemakkelijker om eenvoudige verbindingen te modelleren en ontwerpen door gebruik te maken van AI, Visueel Programmeren en API-verbeteringen, gebruikmakend van de kracht van onze computers om de monetaire en CO₂ kosten van eenvoudige verbindingen te verlagen.

Hieraan toegevoegd is de mogelijkheid om de belastingseffecten/verbindingen te extraheren uit verschillende grote FEA/BIM oplossingen van leveranciers zoals Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, enz., wat echt impact heeft op de efficiëntie en nauwkeurigheid omdat de belastingseffecten of de verbinding zelf worden doorgegeven aan IDEA Connection via Checkbot – een soort hub voor naadloze informatie-uitwisseling tussen verschillende oplossingen.

IDEA StatiCa Connection is het beste van beide werelden! Het zal u nauwkeurige, verifieerbare resultaten geven die code-gecontroleerd kunnen worden.

Eén ding is zeker, ik zal nooit meer een boutverbinding als eenvoudig behandelen!