Verbindingen van holle profielen (HSS) - wat maakt ze zo speciaal?

Staal is een geweldig materiaal voor het maken van dragende constructies. Daar bestaat geen twijfel over. Nog beter is het wanneer de ontwerper van het bouwwerk erin slaagt dit zichtbaar te maken. Ik herinner me een eenvoudige uitspraak van mijn universiteitsprofessor en een gerespecteerd ingenieur: "Een goede constructie hoort waar te zijn". Wat het ook moge betekenen, in mijn oren klinkt het alsof het draagprincipe duidelijk moet zijn en niet alleen voor een deskundige maar voor iedere waarnemer.

En dat kan een moeilijke taak zijn voor een architect of ontwerper. Als ze erin slagen zo'n constructie te bouwen, zijn de details van cruciaal belang. Het is geen verrassing dat openbare ruimtes anders moeten eruitzien dan een industrieterrein.

Het Vogelnest - de staalconstructie van het Nationale Stadion van Beijing is een mooi voorbeeld van het gebruik van HSS-elementen in een iconisch architectonisch werk. Het toegepaste doorsnedetype heeft de algemene indruk van het volume van het bouwwerk volledig beïnvloed.

Bij de blootliggende draagconstructie zijn holle profielen (HSS) meer gewenst dan open. Hoe minder zichtbare verbindingen, hoe beter. Als een verbinding nodig is, is een gelaste verbinding wenselijker dan een geboute. En als een boutverbinding onvermijdelijk is, dan hoe minder bouten hoe beter. Enzovoort...

Wat voor de ontwerper van een schoon en eenvoudig ogende constructie een wenselijk doel is, kan echt ongewenst zijn voor de bouwkundige ingenieur en nog minder gewaardeerd worden door de fabrikant en de aannemer. 

Maar hoe de situatie ook is, een goed opgeleide, vindingrijke en gepassioneerde bouwkundige ingenieur is er niet om een manier te vinden om moeilijke situaties te vermijden maar om ze op te lossen.

Laten we eens nader bekijken wat er achter het hele gebied van HSS-structuren schuilgaat. Welke profielen zijn HSS? Alle types die niet open zijn (dat was best makkelijk, toch?).

Standaard HSS-vormen

Welk arsenaal aan buizen heeft een bouwkundig ingenieur tot zijn beschikking?

• RHS (rectangular hollow section) - rechthoekige holle doorsnede (profiel) 
• SHS (square hollow sections) - vierkante holle profielen
• CHS (circular hollow sections) - ronde holle profielen
• Uitzonderlijk zelfs elliptische

Gebruik van HSS-elementen

We kunnen HSS-elementen overal gebruiken maar de meest voorkomende toepassingen zijn:

• Kolommen
• Schoren
• Vakwerken
• Gebogen balken      

Hoe worden de buizen gemaakt

Het is nogal een typische vraag - hoe worden al die buizen eigenlijk gemaakt? De buisvormige elementen worden op twee verschillende manieren vervaardigd:

• Koudgevormd / gewalst + gelast

(de buizen worden gevormd door het plaatmetaal in de gewenste vorm te buigen en vervolgens tot een gesloten gedeelte te lassen).

• Continu frezen

(het basismateriaal wordt tot witgloeiend verhit en tot een cilinder gevormd, waarna er een kogelvormige priem door wordt gestoken)

Voordelen van HSS-elementen

• Esthetiek - schoner uiterlijk dan open profielen.
• Efficiëntie 
  • wegen minder, dus zouden over het algemeen goedkoper moeten zijn per meter
  • kleiner oppervlak met lagere afwerkingskosten

Geweldige statische parameters

- Wringweerstand tot 200 keer groter dan open profielen (I-, C-, L- en T-vorm)

- ook hogere drukbelastingscapaciteit voor dezelfde ongeschoorde lengte 

Bruikbaar als mantel voor de betonnen kolom (om de axiale belastbaarheid te verhogen).

Breed scala van standaardmaten

Nadelen van HSS-elementen

• Niet ideaal als doorbuigende (buigmoment bestendige) elementen vanwege het grotere staalverbruik in vergelijking met een gelijkwaardige I-vormige doorsnede.
• Boutverbindingen zijn moeilijk te installeren omdat het profiel gesloten is.

Hoe om te gaan met verbindingen van holle profielen?

Een meesterwerk in het gebruik van holle profielen voor dakconstructies, zelfs met betrekking tot de BIM-verbinding tussen verschillende ontwerptools, is het HUNGEXPO-project van KÉSZ Romania. Het is een succesverhaal waarin een veeleisend architectonisch concept, technische vaardigheden en moderne ontwerptools elkaar op passende wijze hebben ontmoet. 

Ontwerp workflow met software links:

Rhinoceros/Grasshopper -> Pangolin plugin -> ConSteel -> IDEA StatiCa Connection -> Tekla Structures

Dergelijke constructies zijn natuurlijk geen dagelijks brood voor de meeste bouwkundige ingenieurs. Vaker liggen enkele standaardverbindingen op tafel die in overeenstemming met de ontwerphandleidingen zijn voorbereid.

Ontwerpcodes en handleidingen met betrekking tot het ontwerp van HSS-verbindingen

Indien u zich vertrouwd wenst te maken met een aantal regionale richtlijnen, volgt hier een korte opsomming van de belangrijkste:

• AISC 360 - Hoofdstuk K
• AISC Design Guide #24: Hollow Structural Section Connections
• CISC Design Guide (Hollow Structural Section - Connections and Trusses 1997)
• EN 1993-1-8 - Hoofdstuk 7
• CIDECT Design Guides (International Committee for the Development and Study of Tubular Structures)
• HSS Design manual, Volume 3: CONNECTIONS AT HSS MEMBERS (Steel Tube Institute)
• etc.

Het maakt niet echt uit of u een handleiding voor ontwerpers volgt, een verbindingsset van een bedrijf, of dat u een nieuw verbindingstype vanaf het begin creëert. U moet altijd dezelfde basisstappen doorlopen: 

En als de controle in de eerste ronde niet in orde is, moet u blijven doorgaan tot u er wel bent.

Voordelen van HSS-verbinding opgelost in IDEA StatiCa

Wat in het begin veel tijd kan besparen, is de set initiële ontwerpsjablonen die in de IDEA StatiCa Connection app zijn ingebouwd. De Start Wizard biedt tientallen sjablonen, klaar voor de eindbewerking door een ingenieur of ontwerper. 

Als het eerste idee niet de beste oplossing blijkt te zijn, klik dan met de rechtermuisknop op de functie "Connect to/Verbinden met" en er verschijnen nog tientallen ontwerpen in het Connection browser venster. Hier worden niet alleen de standaard sets opgeslagen, maar ook de ontwerpen van de gebruikers; degene, die geschikt zijn voor een bepaalde geometrie, zullen binnen enkele seconden worden weergegeven.

Als u geïnteresseerd bent en een aantal volledig afgewerkte voorbeeldprojecten wilt uitproberen, kunt u deze eenvoudig downloaden in ons IDEA StatiCa Support Centre. 

De mogelijkheden van de boutverbindingen voor de holle profielen:

Als eerste mogelijkheid voor de montage van de HSS-verbinding kunt u een paar eenvoudige oplossingen overwegen. Deze eenvoudige oplossingen kunnen echter ook enkele hindernissen met zich meebrengen.

Nou, gelukkig zijn we niet de eersten die dit wiel moeten uitvinden. Er zijn verschillende andere opties op de markt die kunnen helpen om holle profielen rechtstreeks met bouten te verbinden. 

   a) Blinde bouten

   b) Hollo bolts

   c) SHURIKEN - structurele moerhouder

Welke tools kunnen worden gebruikt voor het ontwerpen van HSS-verbindingen?

Er is een hele reeks applicaties voor het ontwerpen van verbindingen op de markt. Een zeer mooi overzicht van de mogelijkheden is samengesteld door het Steel Tube Institute in hun recente artikel gewijd aan de hedendaagse software tools voor HSS-verbindingen (today's software tools for HSS connections). De IDEA StatiCa Connection app plaatste zich zeer goed als de enige tool die gebaseerd is op de FEA-methode, waardoor ze in staat is om elke verbindingstopologie te modelleren. Uit dit overzicht kwam IDEA StatiCa ook als enige tool naar voren die voldeed aan alle geëvalueerde parameters. 

Welke hindernissen kunnen zich tijdens het ontwerp voordoen

Heel vaak kunnen over het hoofd geziene fouten of onvolkomenheden in het ontwerp worden veroorzaakt door ontbrekende controles op de plaatselijke knik van het holle element. Voor gebruikers van IDEA StatiCa Connection is dit een gemakkelijke taak omdat er een eenvoudig selectievakje is ingebouwd in het setup-dialoogvenster. Met deze functie ingeschakeld wordt de controle op plaatselijke vervorming opgenomen in de analyse van de verbinding.  

De bijzonderheden in verband met HSS-verbindingen werden ook gespecificeerd in onze Theoretische achtergrond (Theoretical background) gewijd aan verbindingen van doorsnedestaven met holle doorsnede ( joints of hollow section cross-section members). 

Naast het probleem van de plaatselijke vervorming is er een belangrijk verschil tussen de bezwijkmechanismen van dunwandige en standaard holle-profielelementen:

(rode lijn - dunwandige elementen, groene lijn - standaardelementen in druk, blauwe lijn - standaardelementen onder trek)

Andere bronnen voor verbindingen van holle profielen

Het ontwerp en de analyse van HSS-verbindingen zouden niet nauwkeurig genoeg kunnen zijn zonder de GMNA (geometrische en materiaalkundige niet-lineaire analyse). Waarvoor is het ontwikkeld en wanneer moet het worden gebruikt? Alle nodige informatie is samengevat in een van de vorige blogposts (previous blog posts) over dit onderwerp. 

Als u op zoek bent naar inspiratie voor ronde holle profielen, kunt u de webinars over CHS-verbindingselementen (CHS bracing member connection) en 3D-meerelementverbindingen met de combinaties van CHS- en SHS-profielen (CHS and SHS profiles) volgen. 

Ultieme boodschap

De uitdaging voor de ingenieurs van vandaag is mooi samengevat door Jason McCool in zijn interview met het Steel Tube Institute (Jason McCool in his interview for Steel Tube Institute). Hij zei dat een goede aanpak van de complexiteit van de huidige structurele verbindingseisen bestaat uit out of the box thinking, of op zijn minst door te kijken naar goedgekeurde oplossingen uit verschillende regio's.

In onze globale wereld zonder informatiegrenzen kan het heel verrijkend zijn om in de keukens te kijken van ingenieurs uit verschillende werelddelen. Hoewel er soms geen perfecte verbinding bestaat, kunnen we onze ontwerpen altijd verbeteren door best practices te delen.

beeld- en databronnen: http://architectuul.com, http://madehow.com, https://steeltubeinstitute.org/