Schoorverbindingen en IDEA StatiCa 

Dit is het vervolg op het artikel over vakwerken van mijn collega Ralph Pullinger. Ten eerste is de ultieme vraag - wat is het verschil tussen schoren en vakwerk? Deze onderwerpen kruisen elkaar een beetje, zoals u zich kunt voorstellen.

In wezen is een schoor een enkel element dat iets ondersteunt, versterkt of verstevigt, terwijl een vakwerk meestal een heel deel van de constructie is en gevormd wordt door vele leden. Met andere woorden, schoren kunnen deel uitmaken van een vakwerkconstructie. Natuurlijk hebben sommige vakwerksystemen noodzakelijkerwijs schoren nodig om ze compleet te maken. Zelfs staven binnen sommige vakwerken fungeren als schoren.

Maar waar komen ze voor, en wordt het schoorsysteem alleen gebruikt in staalconstructies? Helemaal niet. Je vindt ze meestal in gebouwen met zowel staal- als houtskeletbouw. Minder in een betonnen frame, tenzij er specifieke redenen zijn, zoals een retrofit of versterking.

 Schoorsystemen gebruikt in staalconstructies

In staalconstructies wordt een schoor gewoonlijk gedefinieerd als uitsluitend belast met axiale belasting (druk of trek). Als een schoor een moment opneemt, zou dat betekenen dat hij moet worden gedefinieerd als een balk of kolom. Schoren zijn niet beperkt tot de horizontale of verticale as. Ze worden ook gebruikt binnen hellende vlakken (zoals een dakvlak). Schoren brengen altijd acties over. Zij zijn voornamelijk bedoeld om horizontale belasting, zoals wind, over te brengen naar een ondersteunend mechanisme - meestal funderingen.

Schoren kunnen de vorm aannemen van draden, strips, hoeken, staven, holle profielen en zelfs I-profielen. Ze werden traditioneel altijd ontworpen om verborgen te zijn, maar er zijn ook verschillende voorbeelden van blootliggende en verbeterde schoren.

Een prachtig voorbeeld van de symbiose tussen architectuur en bouwkunde waarbij de schoren en de details van de schoorverbinding op de gevel zichtbaar zijn, is te vinden in Spanje op het gebouw dat tegenwoordig bekend staat als Hotel Arts Barcelona. Hier zijn de structurele staalverbindingen bijna dichtbij genoeg om aan te raken en zijn ze waarneembaar voor de hotelgasten. Bekijk hoe we deze berekening van het schoorontwerp hebben uitgevoerd in een van onze webinars.

In de oude dagen van 2D (zowel analoog als digitaal) en door het vlak waarin ze werken, werden schoren ook vaak vergeten, totdat ze (onbedoeld) voor een raam werden gezien of de toegang tot een deur blokkeerden. Wie herinnert zich die situaties nog?

Met de komst van BIM zijn deze coördinatieproblemen (hopelijk) praktisch verdwenen. De invoering van FEM heeft ook geleid tot een efficiënter gebruik van materiaal, en dankzij strengere analysemethoden kunnen ingenieurs schoorsystemen plaatsen waar ze beter werken.

In zijn eenvoudigste vorm is een schoor een element dat van de ene plaats naar de andere gaat. Het kan een enkele schoor zijn of deel uitmaken van een groter systeem van schoren dat een patroon vormt. Uiteraard is er een grote verscheidenheid aan schoorsystemen die in constructies worden gebruikt, van de typisch gebruikte X-schoren tot geavanceerde systemen die voldoen aan architectonische eisen.

De opleiding en ervaring van een ingenieur zullen hem meestal leiden naar geschikte posities en vormen van schoren. Dit kan verder worden verfijnd door analyse. Tijdens deze analyse worden bijkomende effecten, zoals excentriciteiten, verwaarloosbaar geacht. Zoals ik altijd beweer - een ingenieur houdt de dingen graag eenvoudig.

In de globale constructieberekening (2D of 3D frames) zie je balken, kolommen en schoren allemaal samenkomen op één knooppunt. In werkelijkheid is dit niet het geval, omdat er altijd enige excentriciteit optreedt. Dit kan ook in FEM en BIM worden gemodelleerd, zodat met deze effecten rekening wordt gehouden - meestal volstaat een duwtje omhoog/omlaag of links/rechts.

Lees meer in de blog van Jan Kubicek over structurele excentriciteiten en hun problemen - Wat als het niet de goede kant op gaat? (What if it doesn’t go in the right direction?)

 Soorten schoorverbindingen in staalconstructies

Nu hebben we een reeks schoren die de ontwerpbelasting kunnen dragen - hoe verbinden we ze met de hoofdconstructie? Hier komt de kunst van de detaillisten en hun kennis om de hoek kijken. Wat zijn hier de beperkingen? Simpel gezegd, hoeveel soorten verbindingen in staalconstructies heeft de detaillist in zijn hersenkronkel opgeslagen, natuurlijk zijn creativiteit, maar ook wat zijn de beperkingen van de gebruikte softwaretools?

Er zijn vele voorbeelden van typische arrangementen die deze taak vervullen. De meeste springen er niet uit, maar sommige wel. Het onderstaande voorbeeld komt uit de casus en het webinar Gevelverbindingen bij het Midland Metropolitan ziekenhuis.

De opdrachtgever wilde van het schoorsysteem een functie maken en gebruikte IDEA StatiCa om een functionele en aantrekkelijke verbinding te maken.

Dit zou een mooi voorbeeld zijn van hoe IDEA StatiCa gebruik zou kunnen maken van zowel een geometrisch model (BIM) van bijvoorbeeld Tekla Structures om de positie van de elementen en de vormen van de verschillende platen te bepalen, als van de belastingseffecten via FEM van bijvoorbeeld SCIA Engineer (andere CAD- en FEM-oplossingen zijn beschikbaar😊). Maar hé, dit is echt mogelijk!

Schoorverbinding details in IDEA StatiCa

IDEA StatiCa Connection, de applicatie voor het ontwerpen en controleren van verbindingen, is uiteraard volledig geschikt voor elk type geometrie en belasting, te beginnen met eenvoudige verbindingen zoals het typische V-schoorsysteem. De sterke kant in vergelijking met bijvoorbeeld Excel spreadsheets is de snelle generatie van de detailvorm, de mogelijkheid van snelle optimalisatie, volledige visuele controle, en niet in de laatste plaats, de knikanalyse!

Lees meer over knikken voor niet alleen schoorverbindingen in het artikel Buckling needs critical thinking! van de auteur Jana Kaderova.

Naast de standaardverbindingen heeft onze app zich ook bewezen tegen verbindingen op baasniveau. Hier gaat het om het spel waar de architect zijn zoete dromen waarmaakt, en de ingenieur een nachtmerrie. Dergelijke centrale ringen met X-schoren worden in vele varianten gebruikt, van de gestandaardiseerde gefabriceerde en geteste tot de absoluut op maat gemaakte die volledig moeten worden geanalyseerd en op code gecontroleerd.

Onder het hoofdstuk schoren zien we ook een van de frequente redenen voor berichten aan onze helpdesk. De bovenstaande voorbeelden tonen ook een enkele boutverbinding van de schoor met de constructie. Dit element kan dus geen moment opnemen, maar alleen een normaalkracht en dwarskrachten.

In de staalverbindingssoftware IDEA StatiCa Connection moet de parameter van het schoorelement, Model type genaamd, worden gewijzigd van de standaard N-Vy-Vz-Mx-My-Mz in N-Vy-Vz (geen momenten). Anders ontstaat een singulariteit door het mechanisme dat zich rond de bout vormt.

Volledig geverifieerde oplossing

 Een paar dagen terug was ik in het kader van mijn helpdesk taak een probleem aan het oplossen met een verbinding die wel/niet standaard was. Dat hangt van je standpunt af. Het verbindingsmodel was een eenvoudige volledig gelaste holle secties (RHS) K-verbinding, en de klant had het over de lagere draagkracht van deze in de Connection app berekende schoorverbinding in vergelijking met handberekeningen.

In dit deel van het verhaal is het belangrijk erop te wijzen dat de CBFEM-gebaseerde oplossing in de software volledig geverifieerd is op meerdere niveaus, inclusief laboratoriumtests en vele gebruikte voorbeelden. Niettemin hebben wij gereageerd met een grondige inspectie van het probleem en met een onafhankelijk eindige-elementenmodel bestaande uit 3D vaste elementen met geometrisch niet-lineair elastoplastisch gedrag in de software midas FEA NX.

De veronderstellingen voor beide modellen:

• Staal S355 - een bilineair diagram met verharding
• Geometrische en materiële niet-lineaire analyse

In het algemeen zijn de handmatige berekeningen van de code nogal conservatief. In dit geval is het precies andersom, en de dubbel gecontroleerde eindige-elementenoplossing die een nauwkeurig model oplevert, vertoont gewoon een lagere capaciteit van ongeveer 20% in beide numerieke modellen in vergelijking met de handberekeningen. De conclusie is dat dit te wijten is aan de ruimtelijke vervormingen en stoten van de hoofdligger.

Daarnaast zijn er in ons Support centre  onder de lijst van verificatie- en onderzoeksartikelen ook artikelen die uitsluitend schoren behandelen.

Een daarvan, Rechthoekige holle secties, omvat ook het voorbeeld van de gelaste K-verbinding ontworpen onder Eurocode. Het werk toont de onderzoeksresultaten van de Connection app vergelijking met de traditionele methode, met andere woorden, weerstand bepaald door CBFEM tot FMM voor de uniplanaire SHS K-verbinding.

Voor de Amerikaanse AISC-code zijn er een paar verificatievoorbeelden, opgesteld door Mahamid Mustafa in een gezamenlijk project van The University of Illinois in Chicago en IDEA StatiCa. De tekst Chevron Brace Connection in a braced frame (AISC), evenals de andere, laat heel goed het veilige maar efficiënte concept van de CBFEM methode zien.

Het einde?

Bedankt dat u de tijd heeft genomen om dit artikel te lezen, en we hopen u snel weer te zien op onze IDEA StatiCa blog!

PS: Een bonus quiz 😊. Probeer te tellen hoeveel stalen schoren u kunt vinden in onze Galerij met voorbeeldprojecten!

3,2,1,...

... goed, hier is de volledig gefilterde lijst ervan voor download, inspectie en gratis gebruik.