Sterke banden smeden: De kracht van staalverbindingen

Laten we, om de juiste aanpak te begrijpen, eens kijken naar wat u moet gebruiken, wanneer en waarom.

Stalen frames zijn een populaire keuze geworden in de bouwindustrie vanwege hun opmerkelijke sterkte, duurzaamheid en veelzijdigheid. Om optimale prestaties en structurele integriteit te bereiken, spelen stalen liggerverbindingen een essentiële rol bij het effectief overbrengen van lasten tussen liggers en kolommen. In dit artikel gaan we dieper in op verschillende soorten stalen liggerverbindingen, waaronder kolomverbindingen en ligger-tot-ligger verbindingen, samen met essentiële overwegingen voor het ontwerp ervan.

Inzicht in dwarskrachten en de invloed ervan op liggers

De dwarskracht is een cruciale factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van stalen liggerverbindingen. Het verwijst naar de kracht die evenwijdig aan de dwarsdoorsnede van een ligger werkt en een zijwaarts of afschuivend effect uitoefent.

Het is voor elke bouwkundig ingenieur zo vanzelfsprekend dat de meesten nooit hebben nagedacht over het feit dat ook dit op de een of andere manier ontwikkeld moet zijn. En net als veel andere dingen in de bouwwereld is ook de dwarskracht ontwikkeld door jaren van observatie, analyse en experimenten. Grote namen zoals Isaac Newton en Leonhard Euler hebben allemaal bijgedragen aan het theoretische begrip van krachten en momenten in constructiesystemen.

Dwarskrachten kunnen leiden tot afschuiving, waarbij het materiaal bezwijkt door overmatige afschuifspanning. Om afschuiving in liggers te voorkomen, maken ingenieurs gebruik van details voor dwarsverbindingen, die voor de overdracht van dwarskrachten van de ene ligger naar de andere of tussen liggers en kolommen zorgen.

Er kan nog veel meer besproken worden over het onderwerp dwarskrachtverbindingen, en we hebben er hier  een apart artikel aan gewijd.

Soorten stalen liggerverbindingen

Hoeveel zijn er vandaag de dag in de bouwpraktijk? Wel, waarschijnlijk kunnen we die vraag niet 100% correct beantwoorden, omdat er altijd ruimte is om een nieuw type uit te vinden. Maar op basis van de langetermijnobservatie van staalconstructies behoren de meeste tot een vrij smalle reeks. Enkele typische voorbeelden zijn:

Ligger-ligger verbindingen:

• Kopplaat verbinding: Bij deze verbinding worden stalen platen aan de uiteinden van liggers bevestigd en met bouten aan elkaar vastgemaakt. De platen zijn ontworpen om dwars- en buigkrachten te weerstaan en zorgen zo voor een robuuste verbinding.
• Hoekstaal verbinding: Een hoekstaal, meestal gemaakt van een stalen hoekprofiel, wordt met bouten aan de lijfplaten van beide liggers bevestigd. Deze verbinding wordt vaak gebruikt in situaties waar een momentverbinding niet nodig is.
• Lipplaatverbinding: Een lipplaat is een enkele verticale plaat die aan de flenzen en het lijf van de hoofdligger is gelast en met bouten aan het lijf van een secundaire ligger is bevestigd.

Kolom-koppelplaat verbindingen:

Kolom-koppelplaat verbindingen zijn cruciaal voor het verbinden van stalen kolommen en zorgen voor stabiliteit en lastoverdracht. Ze kunnen in de volgende types worden ingedeeld:

• Flensplaatverbinding: Bij deze verbinding worden flensplaten aan de uiteinden van de kolommen gelast of met bouten vastgezet om sterkte en stijfheid te bieden. De flensplaten weerstaan de axiale en buigkrachten, waardoor de stabiliteit van de constructie behouden blijft.
• Verlengde kopplaatverbinding: Bij deze verbinding worden de kopplaten van de kolommen verlengd om een sterkere verbinding te creëren. Er worden bouten gebruikt om de verlengde kopplaten vast te zetten, waardoor de verbinding beter bestand is tegen zowel axiale als buigkrachten.

Ontwerpoverwegingen voor dwars- en axiale krachten

Om een stalen ligger voor torsie te ontwerpen, moeten ingenieurs rekening houden met zowel dwarskrachten als axiale krachten. Torsiekrachten veroorzaken verdraaiing binnen een ligger, wat tot constructieve instabiliteit kan leiden. Door de juiste liggerafmetingen en doorsnedevormen te kiezen, kunnen ingenieurs torsie-effecten beperken.

Bij het ontwerpen van boutverbindingen is het belangrijk om rekening te houden met de axiale kracht, die verwijst naar de kracht die langs de lengteas van het element werkt. Axiale krachten kunnen het gedrag van boutverbindingen beïnvloeden en hun draagvermogen aantasten. Door de gecombineerde effecten van axiale krachten, dwarskrachten, buigkrachten en torsiekrachten te analyseren, kunnen ingenieurs ervoor zorgen dat de verbinding structureel geschikt is.

Geboute flensverbindingen ontwerpen voor optimale prestaties

Flensverbindingen met bouten worden vaak gebruikt om de flenzen van stalen liggers of kolommen met elkaar te verbinden. Bij het ontwerp van deze verbindingen spelen verschillende overwegingen een rol, zoals:

• Selectie van bouten: De juiste selectie van bouten op basis van hun sterkte, diameter en kwaliteit is cruciaal voor de integriteit van de verbinding. Bouten moeten dwars- en trekkrachten op de verbinding kunnen weerstaan.
• Ontwerp van de flensverbinding: Het ontwerp van de verbinding moet voldoende stijfheid en sterkte bieden om de verwachte belastingen te weerstaan. Dit omvat de plaatsing en het aantal bouten, de tussenruimte en het gebruik van verstijvers of sluitringen, indien nodig.
• Detailleren van verbindingen: De detaillering van de verbinding omvat het bepalen van de boutlay-out, randafstanden en eindafstanden. Er moet voor voldoende vrije ruimte worden gezorgd om de installatie en inspectie te vergemakkelijken.

Pijpflensverbinding

Een speciaal soort flensverbinding is de verbinding van elementen met een holle doorsnede. Het is de kopplaatverbinding met de opening in de plaat voor een doorlopende buis. Wat een taak voor de werktuigbouwkundige of pijpleidingingenieur lijkt, kan vaak ook door een bouwkundig ingenieur worden opgelost. Ook deze verbindingen zijn eenvoudig op te lossen in de Connection app. Goed ontworpen en goed vervaardigde boutflensverbindingen zijn van cruciaal belang om veel infrastructurele projecten naadloos te laten verlopen.

Op tempo komen

Als het gaat om het ontwerp van flensverbindingen met bouten, is de rekenkundige oplossing in de vorm van een spreadsheet niet altijd voldoende en moet in plaats daarvan FEA worden gebruikt. Het oplossen van staalverbindingen in een geavanceerde FEA-tool kan in het begin een uitdaging lijken, maar wanneer een intuïtieve tool wordt gebruikt, kunnen de eerste modellen sneller worden gebouwd dan normaal verwacht. Voor degenen die aan het begin van hun modelleringstocht wat hulp nodig hebben, is er een hele reeks 'Aan de slag met IDEA StatiCa Connection' Webinars voorbereid:

• De basis
• Schuifverbindingen
• Momentverbindingen
• Complexe verbindingen

Hoe kunnen we er zo zeker van zijn dat de CBFEM-methode die gebruikt wordt in IDEA StatiCa apps echt werkt zoals gepland? Omdat deze ook gebaseerd is op testen, experimenten en verificaties. Eén daarvan was uitsluitend gewijd aan de dwarskrachtverbindingen van een enkele plaat.

Een soortgelijk experiment werd uitgevoerd voor geboute breedflensverbindingen, waarbij de typische stalen kolomverbinding werd geverifieerd.

Conclusie

Stalen liggerverbindingen spelen een cruciale rol bij het waarborgen van de constructieve integriteit en prestaties van staalconstructies. Door rekening te houden met dwarskrachten, geschikte verbindingen te ontwerpen, zoals kolomverbindingen en ligger-ligger verbindingen, en rekening te houden met axiale krachten, momentkrachten en torsiekrachten, kunnen ingenieurs robuuste en betrouwbare stalen liggerverbindingen creëren. Door een zorgvuldig ontwerp en uitvoering dragen deze verbindingen bij aan de algehele veiligheid en levensduur van staalconstructies en voldoen ze aan de eisen van moderne constructiemethoden en ontwerpen.

Vergeet niet dat een uitgebreid begrip van de verschillende soorten stalen liggerverbindingen en hun ontwerpprincipes van cruciaal belang is voor architecten, bouwkundig ingenieurs en bouwprofessionals om projecten af te leveren die de tand des tijds doorstaan en de veiligheid van de bewoners garanderen. 

Als u geïnteresseerd bent in deze verbindingsmodellen en uzelf wilt inspireren, bekijk dan onze galerij met voorbeeldprojecten.