Dit artikel behandelt nominaal gepinde verbindingen (eenvoudige verbindingen) die worden gebruikt in geschoorde frames met meerdere verdiepingen in het Verenigd Koninkrijk. Deze vorm van geschoorde constructies, met nominaal gepinde verbindingen, wordt “eenvoudige constructie” genoemd.
Het artikel geeft een opsomming van de typen eenvoudige verbindingen die in het Verenigd Koninkrijk het meest worden gebruikt. Het presenteert de procedures voor hun ontwerp volgens Eurocode 3 en bespreekt de relatieve verdiensten van balk-eindverbindingstypes. De voordelen van standaardisatie van verbindingen worden besproken voor balk-naar-balk en balk-naar-kolom verbindingen met behulp van vinplaat en flexibele eindplaat verbindingen.
Kolomsplitsen, kolomvoeten en schoorverbindingen worden ook besproken, samen met een korte vermelding van speciale verbindingen.
Soorten eenvoudige verbindingen
Eenvoudige verbindingen zijn nominaal gependelde verbindingen waarvan wordt aangenomen dat ze alleen eindschuifkrachten overbrengen en een verwaarloosbare weerstand tegen verdraaiing hebben. Daarom dragen ze geen significante momenten over in de uiterste grenstoestand. Deze definitie ligt ten grondslag aan het ontwerp van geschoorde constructies met meerdere verdiepingen in het VK die als “eenvoudige constructie” zijn ontworpen, waarbij de liggers als eenvoudig ondersteund zijn ontworpen en de kolommen zijn ontworpen voor axiale belasting en de kleine momenten die worden opgewekt door de eindreacties van de liggers. Stabiliteit wordt aan het geraamte verschaft door schoren of door de betonnen kern.
Twee hoofdvormen van eenvoudige verbindingen (zoals rechts afgebeeld) worden in het VK gebruikt, dit zijn:
- Flexibele eindplaten en
- Vinnenplaten.
Vaak voorkomende eenvoudige verbindingen zijn:
- Balk-op-balk en balk-op-kolom verbindingen met gebruikmaking van:
- Partiële diepte eindplaten
- Volledige diepte eindplaten
- Vinplaten
- Kolomverbindingen (geschroefde dekplaten of eindplaten)
- Kolombases
- Verstijvingsverbindingen (Gusset platen).
Simpelere verbindingen kunnen ook nodig zijn voor scheve verbindingen, balken excentrisch ten opzichte van kolommen en verbinding met kolom-liggers. Deze worden geclassificeerd als speciale verbindingen en worden apart behandeld.
Ontwerpprocedures
Het ontwerp van eenvoudige verbindingen is gebaseerd op BS EN 1993-1-8 en de bijbehorende nationale bijlage. De capaciteiten van de verbindingscomponenten zijn gebaseerd op de regels in clausule 3.6. De afstand tussen de bevestigingsmiddelen voldoet aan punt 3.5 en volgt de aanbevelingen in het “Groene Boek” (SCI P358).
ECCS-publicatie nr. 126 geeft ook nuttige aanwijzingen voor het ontwerp van eenvoudige verbindingen volgens Eurocode 3.
Overwegingen bij verbindingen
Classificatie van verbindingen
Volgens BS EN 1993-1-8, nominaal gepinde verbindingen:
- in staat zijn de interne krachten over te brengen, zonder grote momenten te ontwikkelen die een nadelig effect kunnen hebben op de delen of de constructie als geheel en
- in staat zijn de resulterende rotaties onder de ontwerpbelastingen op te nemen
Verder moet de verbinding:
- de bij het ontwerp van de elementen veronderstelde richtingsbeperking aan de elementen bieden
- voldoende robuust zijn om aan de eisen van structurele integriteit te voldoen (koppelweerstand).
BS EN 1993-1-8 vereist dat alle verbindingen worden geclassificeerd; volgens stijfheid, die geschikt is voor een elastische globale analyse, of volgens sterkte, die geschikt is voor een stijve plastische globale analyse, of volgens zowel stijfheid als sterkte, die geschikt is voor een elastisch-plastische globale analyse.
Inschaling op basis van stijfheid:
De initiële rotatiestijfheid van de verbinding, berekend volgens BS EN 1993-1-8 , 6.3.1 wordt vergeleken met de indelingsgrenzen gegeven in BS EN 1993-1-8, 5.2.2.
Als alternatief kunnen verbindingen worden ingedeeld op basis van experimenteel bewijs, ervaring met eerdere bevredigende prestaties in soortgelijke gevallen of door berekeningen op basis van testgegevens.
Inschaling op basis van sterkte:
Aan de volgende twee eisen moet worden voldaan om een verbinding op basis van zijn sterkte als nominaal gependeld in te delen:
- De ontwerpmomentweerstand van de verbinding bedraagt niet meer dan 25% van de ontwerpmomentweerstand vereist voor een verbinding van volle sterkte
- De verbinding moet in staat zijn de rotaties op te nemen die het gevolg zijn van de ontwerpbelastingen.
In de nationale bijlage van het VK bij BS EN 1993-1-8 wordt gesteld dat verbindingen die zijn ontworpen volgens het “Groene Boek” (SCI P358) kunnen worden geclassificeerd als nominaal gepinde verbindingen.
Alle standaardverbindingen die in het “Groene Boek” (SCI P358) worden gegeven, kunnen worden geclassificeerd als nominaal gepinde verbindingen op basis van de sterkte-eisen tezamen met uitgebreide ervaring met in de praktijk gebruikte details. Voorzichtigheid is geboden alvorens de standaarddetails te wijzigen, aangezien de resulterende verbinding buiten de bepalingen van de UK National Annex kan vallen. In het bijzonder:
- Het rotatievermogen van de standaard vinplaatdetails is proefondervindelijk aangetoond; gewijzigde details zijn mogelijk niet ductiel
- De dikte van de eindplaten over de volle diepte is beperkt om ervoor te zorgen dat de momentweerstand minder is dan 25% van een verbinding met volle sterkte, en kan dus worden geclassificeerd als nominaal gependeld.
Structurele integriteit
De bouwvoorschriften van het Verenigd Koninkrijk schrijven voor dat alle gebouwen zodanig moeten worden ontworpen dat onevenredige instorting wordt voorkomen. Gewoonlijk wordt dit bereikt door de verbindingen in een stalen frame (de balk-kolom verbindingen en de kolomverbindingen) te ontwerpen voor koppelkrachten. Richtlijnen voor de ontwerpwaarden van koppelkrachten worden gegeven in BS EN 1991-1-7 Annex A, en de UK National Annex. De eisen hebben betrekking op de bouwklasse, waarbij de ontwerpwaarde van de horizontale trekkracht in het algemeen niet minder dan 75 kN en meestal aanzienlijk hoger is. Eindplaatdetails met volledige diepte zijn ontwikkeld om een grotere weerstand tegen vastbinden te bieden in vergelijking met eindplaatdetails met gedeeltelijke diepte. Verdere details over constructieve robuustheid worden gegeven in SCI P391.
Keuze van verbindingstypes
De keuze van balkuiteindeverbindingen kan vaak behoorlijk ingewikkeld zijn. De relatieve verdiensten van de drie verbindingstypes (gedeeltelijke diepte eindplaten, volledige diepte eindplaten en vinplaten) zijn samengevat in de tabel hieronder. De keuze van balken en verbindingen is over het algemeen de verantwoordelijkheid van de staalconstructeur die het verbindingstype zal kiezen dat past bij de werklast van de fabricage, de economie en de tijdelijke stabiliteit tijdens de montage.
| Partial depth end plate | Full depth end plate | Fin plate | ||
|---|---|---|---|---|
| Design | ||||
| Shear resistance – percentage balkweerstand | Tot 75% | 100% | Tot 50% Tot 75% met twee verticale lijnen van bouten |
|
| Bevestigingsweerstand | Gelijk | Goed | Goed | |
| Speciale overwegingen | ||||
| Scheve verbindingen | Eerlijk | Eerlijk | Goed | |
| Balken excentrisch t.o.v. kolommen | Eerlijk | Goed | Goed | |
| Aansluiting op kolom-latten | Goed | Goed | Goed | Goed Om montage te vergemakkelijken, kan het nodig zijn de flenzen te strippen. Verstijving kan vereist zijn voor lange vinplaten |
| Fabricage en behandeling | ||||
| Fabricage | Goed | Goed | Goed Verstijving kan vereist zijn voor lange vinplaten |
|
| Oppervlaktebehandeling | Goed | Goed | ||
| Plaatsing | ||||
| Gemak van plaatsing | Goed Zorg nodig voor twee-zijdigezijdige verbindingen |
Fair Verzorging nodig voor twee-zijdige verbindingen |
Goed | |
| Aanpassing ter plaatse | Fair | Fair | Fair | |
| Tijdelijke stabiliteit | Fair | Goed | Nauwkeurig | |
Samengestelde vloeren
Het is bekend dat interactie met een samengestelde vloer het gedrag van een eenvoudige verbinding zal beïnvloeden. Het is gebruikelijk om dergelijke verbindingen te ontwerpen zonder gebruik te maken van de voordelen van de continuïteit van de wapening door de betonplaat. SCI P213 maakt het echter mogelijk rekening te houden met de continuïteit van de wapening door relatief eenvoudige eindplaatverbindingen over de volle diepte te realiseren met een aanzienlijke momentweerstand. In een geschoord frame kan deze weerstand worden gebruikt om het moment en de doorbuiging in het midden van de overspanning te verminderen, waardoor een kleinere balk kan worden gekozen.
Kosten
Eenvoudige verbindingen zijn steevast goedkoper te fabriceren dan moment-resistente verbindingen, omdat ze veel minder fabricage-inspanningen vergen, met name bij het lassen.
Het geven van specifieke richtlijnen over de kosten is moeilijk, omdat de tarieven van een staalconstructeur voor vakmanschap aanzienlijk kunnen variëren en afhankelijk zijn van het niveau van de investeringen in machines en installaties. Het belangrijkste doel is echter de werkinhoud tot een minimum te beperken. De materiaalkosten voor fittingen en bouten zijn gering in vergelijking met de bewerkingskosten, die worden gedomineerd door de lasinhoud. In een typische fabricagewerkplaats kunnen de kosten voor de vervaardiging van verbindingen 30% tot 50% van de totale fabricagekosten bedragen.
Duurzaamheid
Gestandaardiseerde verbindingen zijn efficiënt in hun produktie. Aannemers van staalconstructies rusten hun werkplaatsen uit met gespecialiseerde machines die de fabricagesnelheid verhogen, waardoor zij sneller verbindingen kunnen produceren en de elementen kunnen voorbereiden dan wanneer de configuratie van de verbindingen telkens anders zou zijn.
Door de gestandaardiseerde details is de staalconstructie eenvoudig te monteren, wat een veiligere werkomgeving oplevert voor de staalconstructeurs.
Door de aard van de meeste boutverbindingen zijn de verbindingen demonteerbaar aan het einde van de levensduur van de constructie. Het staalwerk kan worden gedemonteerd, hergebruikt of gerecycled, waardoor het milieu-effect van de constructie wordt verminderd.
Gestandaardiseerde verbindingen
De voordelen van standaardisatie
In een typisch geschoord frame met meerdere verdiepingen kunnen de verbindingen minder dan 5% van het gewicht van het frame uitmaken, en 30% of meer van de totale kosten. Efficiënte verbindingen zullen daarom de laagste detaillering, fabricage en montage arbeidsinhoud hebben.
| Component | Voorkeur | Noten |
|---|---|---|
| Voorzieningen | Materiaal van kwaliteit S275 | Aanbevolen afmetingen van eindplaten en vinplaten – zie tabel hieronder |
| Bouten | M20 8.8 Bouten, volledig voorzien van schroefdraad | Voor sommige zwaar belaste verbindingen kunnen bouten met een grotere diameter nodig zijn
Funderingsbouten kunnen M20, M24, M30, 8.8 of 4..6 |
| Gaten | Generaal 22 mm diameter, geponst of geboord | 26 mm diameter voor M24 bouten
6 mm overmaat voor funderingsbouten |
| Lassen | Filetlassen meestal 6 mm of 8 mm beenlengte | Grotere lassen kunnen nodig zijn voor sommige kolomvoeten |
| Fittingen | Locatie | ||
|---|---|---|---|
| Afmeting (mm) | Dikte (mm) | Eindplaat | Vinplaat |
| 100 | 10 | – | |
| 120 | 10 | – | |
| 150 | 10 | – | – |
| 160 | 10 | – | |
| 180 | 10 | – | – |
| 200 | 12 | – | |
Ligger-balk-tot-balk en balk-tot-kolom verbindingen
De hieronder gegeven ontwerpprocedures zijn geschikt voor ofwel handberekening of voor de voorbereiding van computersoftware.
Het ontwerpen van verbindingen met de hand kan een moeizaam proces zijn en daarom is een volledige reeks weerstandstabellen opgenomen in het “Groene Boek” (SCI P358).
Het bepalen van de sterkte van een nominaal gepinde verbinding omvat drie stadia:
- Zorg ervoor dat de verbinding zodanig is gedetailleerd dat deze slechts nominale momenten ontwikkelt die geen nadelige invloed hebben op de leden of de verbinding zelf. De verbinding moet zodanig worden gedetailleerd dat deze zich op een vervormbare wijze gedraagt.
- Het bepalen van het belastingstraject door de verbinding, d.w.z. van de balk naar het dragende lid.
- Het controleren van de weerstand van elk onderdeel.
Voor een normaal ontwerp zijn er tien ontwerp procedure controles voor alle onderdelen van een balk tot balk of balk tot kolom verbinding voor verticale afschuiving.
Er zijn nog eens zes controles nodig om de koppelweerstand van de verbinding te verifiëren. Balk op kolom verbindingen moeten bestand zijn tegen dwarskrachten tenzij deze krachten door andere middelen binnen de constructie, zoals de vloerplaten, worden weerstaan.
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de ontwerp procedure controles die nodig zijn voor gedeeltelijke diepte eindplaten, volledige diepte eindplaten en vinplaten. De ontwerpprocedures zijn volledig beschreven in het “Groene Boek” (SCI P358).
| Controles ontwerpprocedure | Partiële-diepe eindplaat | Volledige-diepte eindplaat | Volledige-diepte eindplaat | diepte eindplaat | Vinplaat |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 Aanbevolen detailleringspraktijk | ✔ | ✔ | ✔ | ||
| 2 Ondersteunde ligger | Welds | Welds | Boutgroep | ||
| 3 Ondersteunde ligger | N/A | N/A | Vinplaat | ||
| 4 Ondersteunde ligger | Web in afschuiving | ||||
| 5 Ondersteunde ligger | Weerstand bij een kerf | N/A | Weerstand bij een kerf | ||
| 6 Ondersteunde ligger | Lokale stabiliteit van ingekeepte ligger | N/A | Lokale stabiliteit van gekerfde balk | ||
| 7 Ongespannen ondersteunde balk | Alle stabiliteit van gekerfde balk | N/A | Alle stabiliteit van gekerfde balk | ||
| 7 balk | |||||
| 8 Verbinding | Boutengroep | Welds | |||
| 9 Verbinding | Eindplaat in afschuiving | N/A | N/A | ||
| 10 Ondersteunende balk/kolom | Scheer- en lager | ||||
| 11 Koppelweerstand | Plaat en bouten | ||||
| 12 Koppelweerstand | Gedragen liggerweb | ||||
| 13 Koppelweerstand | Welds | ||||
| 14 Koppelweerstand | Gedragen kolomweb (UKC of UKB) | ||||
| 15 Koppelweerstand | Gedragen kolomweb (UKC of UKB) | ||||
| 15 weerstand | Steunende kolomwand (RHS of SHS) | ||||
| 16 Bindweerstand | N/A | N/A | Steunende kolomwand (CHS) | ||
Noten:Controles op de buig-, afschuif-, lokale en laterale knikweerstand van een balksectie met inkepingen zijn in deze tabel opgenomen, omdat de eis voor inkepingen meestal in de detailleringsfase wordt vastgesteld, waarna, een controle moet worden uitgevoerd op de gereduceerde doorsnede
Balk-op-balk verbindingen
Balk-op-kolom verbindingen
Balk-opkolomverbindingen
Flexibele eindplaatverbindingen
Typische flexibele eindplaatverbindingen zijn in de figuur rechts weergegeven. De eindplaat, die gedeeltelijke diepte of volledige diepte kan hebben, wordt in de werkplaats aan de ondersteunde balk gelast. De balk wordt dan ter plaatse met bouten aan de ondersteunende balk of kolom vastgezet.
Dit type verbinding is relatief goedkoop, maar heeft als nadeel dat er weinig mogelijkheid is om de balk ter plaatse aan te passen. De totale lengte van de balken moet binnen nauwe grenzen worden gefabriceerd, hoewel pakketten kunnen worden gebruikt om fabricagetoleranties en montagetoleranties te compenseren.
Eindplaten zijn waarschijnlijk de populairste van de eenvoudige balkverbindingen die momenteel in het VK worden gebruikt. Zij kunnen worden gebruikt bij scheve balken en kunnen matige afwijkingen in balk-kolom verbindingen verdragen.
Flowdrill, Hollo-bouten, blinde bouten of andere speciale samenstellingen worden gebruikt voor verbindingen met kolommen met een holle doorsnede.
De detailleringsvoorschriften en ontwerpcontroles voor gedeeltelijke diepte- en volledige diepte-eindplaatverbindingen, die zowel op balk-naar-balkverbindingen als balk-naar-kolomverbindingen van toepassing zijn, worden uitvoerig behandeld in het “Groene Boek” (SCI P358). Deze omvatten procedures, uitgewerkte voorbeelden, detaillering en ontwerpweerstandstabellen.
Een eindplaat ontwerphulpmiddel is ook beschikbaar.
Standaard flexibele eindplaat details (volle diepte en gedeeltelijke diepte eindplaten) worden getoond in de figuur hieronder, samen met aanbevolen afmetingen en hulpstukken.
| Gesteunde ligger | Aanbevolen eindplaat maat bp × tp |
Boutdikte p3 |
||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| tot 533 UB | 150 × 10 | 90 | ||||||||||
| 533 UB en hoger | 200 × 12 | 140 | ||||||||||
|
||||||||||||
| Gesteunde balk | Aanbevolen eindplaatafmeting bp × tp |
Boutmaat p3 |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tot 533 UB | 180 × 10 | 90 | ||||||||
| 533 UB en hoger | 200 × 12 | 110 | ||||||||
|
||||||||||
Vinplaten
Vinplaat verbindingen zijn economisch te fabriceren en eenvoudig op te bouwen. Deze verbindingen zijn populair, omdat zij het snelst te monteren zijn en het probleem van gedeelde bouten bij tweezijdige verbindingen ondervangen.
Een vinplaatverbinding bestaat uit een plaatlengte die in de werkplaats aan het dragende element is gelast, waaraan het ondersteunde liggerweb ter plaatse met bouten wordt vastgezet, zoals in de onderstaande figuur is te zien. Er is een kleine speling tussen het uiteinde van de ondersteunde balk en de dragende kolom.
Vinplaatverbindingen
Bij het ontwerp van een vinplaatverbinding is het van belang de juiste lijn voor de afschuiving te bepalen. Er zijn twee mogelijkheden: of de afschuiving treedt op aan de voorzijde van de kolom of de afschuiving treedt op langs het midden van de boutgroep die de vinplaat met het liggerweb verbindt. Daarom moeten beide kritische doorsneden worden gecontroleerd op een minimummoment dat het product is van de verticale afschuiving en de afstand tussen het vlak van de kolom (of het lijf van de balk) en het middelpunt van de boutgroep. Beide kritische doorsneden worden vervolgens gecontroleerd op het resulterende moment in combinatie met de verticale afschuiving. Vanwege de onzekerheid van het moment dat op de vinplaat wordt uitgeoefend, worden de lassen van de vinplaat op volle sterkte gedimensioneerd.
Vinplaatverbindingen ontlenen hun in-vlak rotatiecapaciteit aan de boutvervorming in afschuiving, aan de vervorming van de boutgaten in oplegging en aan de uit-vlak buiging van de vinplaat. Merk op dat vinplaten met lange uitsteeksels de neiging hebben te verdraaien en te bezwijken door zijdelingse torsiebuiging. Een extra controle om met dit gedrag rekening te houden is opgenomen in de ontwerpprocedures voor vinplaatverbindingen.
Het “Groene Boek” (SCI P358) behandelt de detailleringsvoorschriften, ontwerpcontroles en procedures die van toepassing zijn op het ontwerpen van vinplaten. Werkvoorbeelden en ontwerpweerstandstabellen worden ook in deze publicatie gegeven.
Een Fin plate designer tool is ook beschikbaar.
| Nominale balkdiepte (mm) |
Verticale boutlijnen n2 |
Aanbevolen vinplaatafmeting (mm) |
Horizontale boutafstand, e2/e2 of e2/ p2/e2 (mm) |
Gat, gh (mm) |
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ≤610 | 1 | 100 × 10 | 50/50 | 10 | ||||||
| >610* | 1 | 120 × 10 | 60/60 | 20 | ||||||
| ≤610 | 2 | 160 × 10 | 50/60/50 | 10 | ||||||
| >610* | 2 | 180 × 10 | 60/60/60 | 20 | ||||||
|
||||||||||
|
* Bij balken met een nominale diepte van meer dan 610 mm mag de verhouding tussen overspanning en diepte van de balk niet meer dan 20 bedragen en mag de verticale afstand tussen extreme bouten mag niet groter zijn dan 530 mm |
||||||||||
Toenemende belangstelling voor het gebruik van S355 voor vinplaten leidde tot vragen over de stijfheid van dergelijke verbindingen – zijn ze nog steeds nominaal gepend? Om deze vraag te beantwoorden hebben BCSA en Steel for Life SCI opdracht gegeven een onderzoek uit te voeren waarin het gedrag van vinplaatverbindingen met zowel S275 als S355 vinplaten werd vergeleken. De conclusie van het onderzoek was dat, zolang de gestandaardiseerde verbindingsgeometrie uit het Groene Boek wordt gerespecteerd, 10 mm vinplaten in S355 worden geclassificeerd als nominaal gepinde verbindingen en kunnen worden gebruikt als alternatief voor S275-platen. Meer informatie is beschikbaar in een artikel in het meinummer 2018 van NSC magazine.
Kolomverbindingen
Kolomverbindingen in gestapelde bouw zijn nodig om sterkte en continuïteit van stijfheid om beide assen van de kolommen te bieden. Typische geboute kolomverbindingen voor gewalste I-profielen en holle profielen zijn te zien in de figuur hiernaast.
De verbindingen worden meestal om de twee of drie verdiepingen aangebracht en bevinden zich meestal ongeveer 600 mm boven het vloerniveau. Dit resulteert in handige lengtes voor fabricage, vervoer en montage, en geeft gemakkelijke toegang vanaf de aangrenzende verdieping voor het vastbouten op de bouwplaats. Het aanbrengen van verbindingen op elk verdiepingsniveau is zelden economisch, omdat de besparing in kolommateriaal meestal niet opweegt tegen de materiaal-, fabricage- en montagekosten voor het aanbrengen van de verbinding.
Afdekplaatverbindingen met bouten voor I-profielen:
Er zijn twee categorieën voor dit type verbinding:
- lagertype
- niet-lagertype.
In de lagertype verbinding (zie onderstaande figuur) worden de belastingen overgebracht in directe lagering vanaf de bovenste as, hetzij rechtstreeks, hetzij via een verdeelplaat. De “gelagerde” verbinding is de eenvoudigste verbinding, die gewoonlijk minder bouten heeft dan de niet-gelagerde verbinding, en wordt daarom in de praktijk het meest gebruikt.
Wanneer er geen netto spanning aanwezig is, kan een standaardverbinding worden gebruikt, maar BS EN 1993-1-8 stelt de eis dat de lasplaten en bouten ten minste 25% van de maximale drukkracht in de kolom moeten overbrengen.
Voor dragende lasverbindingen is de weerstand van de verbinding waarschijnlijk de kritische controle.
Verbindingen die zijn gecategoriseerd als niet-dragend type (zie onderstaande figuur) brengen belastingen over via de bouten en de verbindingsplaten. Elke directe lagering tussen de leden wordt genegeerd, waarbij de verbinding soms wordt gedetailleerd met een fysieke spleet tussen de twee assen. Het ontwerp van een niet-gelagerde verbinding is ingewikkelder, aangezien alle krachten en momenten moeten worden overgebracht via de bouten en de verbindingsplaten. Voor niet-gelagerde lasverbindingen zijn de minimumeisen in BS EN 1993-1-8 zeer zwaar, omdat zij veeleer op de capaciteit van het lid dan op de uitgeoefende kracht zijn gebaseerd.
Aangezien lasverbindingen in het algemeen vlak boven het vloerniveau worden aangebracht, wordt het moment ten gevolge van de werking van de schoor als onbelangrijk beschouwd. De momenten in lassen op andere plaatsen moeten echter wel in aanmerking worden genomen.
Kolomverbindingen moeten de verbonden delen op één lijn houden en waar mogelijk moeten de delen zo worden geplaatst dat de hartlijn van het splijtmateriaal samenvalt met de hartlijn van de kolomdelen boven en onder de splitsing. Indien de kolomdelen zijn verschoven (bijvoorbeeld om een constante uitwendige lijn te handhaven) moet het moment ten gevolge van de excentriciteit in het ontwerp van de verbinding worden meegenomen.
De ontwerpcontroles die nodig zijn voor geboute dekplaat kolomverbindingen alsmede procedures, uitgewerkte voorbeelden, detailleringseisen en ontwerpweerstandstabellen zijn te vinden in hoofdstuk 6 van het ‘Groene Boek’ (SCI P358).
Geboute ‘cap and base’ of ‘eindplaat’-verbindingen voor buisvormige en gewalste I-profielen
Dit type verbinding, bestaande uit platen die aan de uiteinden van de onderste en bovenste kolom worden gelast en vervolgens op de bouwplaats eenvoudig met bouten aan elkaar worden bevestigd, wordt gewoonlijk gebruikt bij buisconstructies, maar kan ook voor open profielen worden gebruikt.
De meest eenvoudige vorm van de verbinding is zoals in de figuur rechts en voldoet zolang de uiteinden van elke as op dezelfde wijze worden voorbereid als voor een dragende verbinding. Er moet rekening worden gehouden met de mogelijkheid dat de belasting wordt omgekeerd, naast de stabiliteit tijdens de montage en de eisen voor het vastbinden.
Hoewel deze verbindingen vaak worden gebruikt, is het moeilijk om aan te tonen dat kap- en bodemverbindingen voldoen aan de eisen van BS EN 1993-1-8, artikel 6.2.7.1(14). Als dit soort verbindingen wordt gebruikt, is het gebruikelijk dat de platen dik zijn en dat de bouten dicht bij de flenzen worden aangebracht om de stijfheid van de verbinding te vergroten. Verlengde platen, met bouten buiten het profiel van de doorsnede mogen worden gebruikt. Als kap- en voetplaatverbindingen zich niet in de buurt van een steunpunt bevinden, moet speciale aandacht worden besteed aan de stijfheid, zodat het ontwerp van het element niet wordt ontkracht.
‘Kap- en voet’- of ‘eindplaat’-kolomsplitsingen worden behandeld in hoofdstuk 6 van het ‘Groene Boek’ (SCI P358). Er worden detailleringseisen, ontwerpprocedures, uitgewerkte voorbeelden en ontwerpweerstandstabellen gegeven.
Kolombases
Typische kolombases, zoals weergegeven in de figuur hiernaast, bestaan uit een enkele plaat die aan het uiteinde van de kolom is gelast en met vier bouten aan de fundering is bevestigd. De bouten worden in de betonsokkel gegoten in locatiebuizen of -kegels en zijn voorzien van ankerplaten om uittrekken te voorkomen. In de ruimte onder de plaat wordt hoogsterkte specie gegoten (zie onderstaande figuur).
Dergelijke kolomvoeten zijn vaak alleen onderhevig aan axiale druk en afschuiving. Opdrijving en horizontale afschuiving kunnen echter een ontwerpgeval zijn voor kolomvoeten in geschoorde traveeën.
Kolomvoetverbinding
Een eenvoudige rechthoekige of vierkante grondplaat wordt bijna universeel gebruikt voor kolommen in eenvoudige constructies. De voetplaat moet voldoende groot en sterk zijn om de axiale drukkracht van de kolom via het beddingsmateriaal op de fundering over te brengen, zonder de plaatselijke draagweerstand van de fundering te overschrijden.
Een hulpmiddel voor het ontwerpen van voetplaten is beschikbaar.
Kolombodems worden in het algemeen ontworpen om de kracht van de kolom in directe oplegging over te brengen op de voetplaat. Bevestigingssystemen zijn ontworpen om de kolom tijdens de bouw te stabiliseren en om eventuele opwaartse druk in geschoorde traveeën te weerstaan. In sommige gevallen wordt aangenomen dat een bescheiden horizontale afschuiving ook door de bevestigingsbouten wordt gedragen.
Horizontale afschuiving
De manier waarop horizontale afschuivingskrachten op de fundering worden overgebracht is niet goed onderzocht. Sommige ontwerpers controleren de weerstand van de bevestigingsbouten en zorgen ervoor dat deze voldoende worden gevoegd. Deze praktijk is met succes gevolgd voor portaalframes, die een aanzienlijke afschuiving dragen.
Geschoorde traveeën kunnen relatief hoge afschuifkrachten hebben. Ontwerpers kunnen ervoor kiezen om een afschuivingsstomp aan de onderzijde van de funderingsplaat te lassen, hoewel de uitsparing het gieten van de fundering kan bemoeilijken, en speciale aandacht moet worden besteed aan het voegen. Ontwerpmethoden voor dit soort details worden gegeven in het “Groene Boek” (SCI P398).
Scheerbewegingen tussen het uiteinde van de kolom en de voetplaat worden overgebracht door lassen tussen de kolom en de voetplaat. Lassen kunnen alleen aan het lijf worden aangebracht, of rond delen van het profiel – over het algemeen wordt de lasweerstand ruim voldoende geacht voor bescheiden dwarskrachten.
Versterkingsverbindingen
Versterkingselementen omvatten platte profielen, hoeken, kanalen, I-profielen en holle profielen. De steunende regelingen kunnen de steunende leden in spanning impliceren die alleen, of in zowel spanning als compressie werkt. In de meeste gevallen wordt het schoorelement bevestigd met bouten aan een hoekplaat, die op zijn beurt is gelast aan de ligger, aan de kolom, of meer gebruikelijk gelast aan de ligger en zijn eindverbinding zoals in de figuur rechts.
Schoorsystemen worden gewoonlijk geanalyseerd ervan uitgaande dat alle krachten elkaar snijden op de hartlijnen van de elementen. Het realiseren van deze aanname in de verbindingsdetails kan echter resulteren in een verbinding met een zeer grote spantplaat, vooral als de schoring ondiep of steil is. Het is vaak handiger om de snijpunten van de elementen zo te schikken dat een compactere verbinding ontstaat en plaatselijk te controleren op de effecten van excentriciteiten die worden geïntroduceerd.
Verbindingen van schoren worden in het algemeen gemaakt met niet-voorgespannen bouten in vrijgaten. In theorie althans laat dit enige beweging in de verbinding toe, maar in de praktijk wordt dit bij orthodoxe constructie genegeerd. In sommige gevallen kan het zijn dat beweging bij omkering onaanvaardbaar is – voorgespannen verbindingen moeten in deze omstandigheden worden gebruikt.
Het algemene ontwerpproces is:
- Identificeer het belastingpad door de verbinding
- Verander de verbinding om te verzekeren dat de ontwerpintentie van de leden wordt gerealiseerd, b.v. de balkverbindingen blijven nominaal gependeld
- Bereken de effecten van significante excentriciteit
- Controleer de componenten in de verbinding.
Geschoorde verbinding voor een buisvormig schoorelement
Ontwerpregels om de weerstand van de hoekplaat te bepalen worden gegeven in het “Groene Boek” (SCI P358).
Een hulpmiddel voor het ontwerpen van hoekplaten is eveneens beschikbaar.
Speciale verbindingen
Staalverbindingen voor eenvoudige constructies, hierboven geïllustreerd, zullen over het algemeen de meest economische staalconstructie opleveren. Afwijken van deze verbindingen zal onvermijdelijk leiden tot een verhoging van de totale kosten. De toename in detail teken-, fabricage- en montagekosten kan meer dan 100% bedragen als niet-standaard verbindingen het merendeel van de gebruikte verbindingen uitmaken.
De noodzaak van speciale verbindingen kan vaak worden vermeden door een oordeelkundige selectie van de afmetingen van de elementen. Een constructie met een minimaal gewicht is waarschijnlijk niet de meest kosteneffectieve. Het is daarom een goede economische praktijk ervoor te zorgen dat staalconstructies met hartlijnen op vaste roosters kunnen worden geplaatst. De bovenflenzen van balken moeten, waar mogelijk, op een constant niveau liggen, maar dit is minder kritisch voor de kosten dan excentrische verbindingen.
Bij het ontwerpen van speciale verbindingen kan het mogelijk zijn een aangepaste versie van een van de gestandaardiseerde verbindingen uit het Groene Boek te gebruiken, afhankelijk van aanvullende ontwerpcontroles. De in het Groene Boek gegeven ontwerpbeginselen en dimensioneringsregels voor onderdelen moeten zoveel mogelijk in het ontwerp van verbindingen worden verwerkt.
Typische voorbeelden van situaties waarin speciale verbindingen zijn vereist, worden gegeven in het “Groene Boek” (SCI P358).
- 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 BS EN 1993-1-8:2005. Eurocode 3: Ontwerp van staalconstructies. Ontwerp van verbindingen, BSI
- 2.0 2.1 2.2 NA bij BS EN 1993-1-8:2005. Nationale bijlage van het VK bij Eurocode 3: Ontwerp van staalconstructies. Ontwerp van verbindingen, BSI
- ECCS Publicatie nr. 126 Europese aanbevelingen voor het ontwerp van eenvoudige verbindingen in staalconstructies. J. P. Jaspart et al. 2009.
- BS EN 1991-1-7:2006+A1:2014. Eurocode 1: Acties op structuren. Algemene acties. Accidentele acties. BSI
- NA+A1:2014 bij BS EN 1991-1-7:2006+A1:2014. Nationale bijlage van het VK bij Eurocode 1: Acties op structuren. Algemene acties. Accidentele acties. BSI
Verdere lectuur
- Steel Designers’ Manual 7th Edition. Redactie B Davison & G W Owens. The Steel Construction Institute 2012, Hoofdstuk 27
- Architectural Design in Steel – Trebilcock P and Lawson R M published by Spon, 2004
Resources
- SCI P358 Joints in Steel Construction – Simple Joints to Eurocode 3, 2014
- SCI P213 Verbindingen in de bouw – Composietverbindingen, 1998
- SCI P391 Structural Robustness of Steel Framed Buildings, 2011
- SCI P398 Verbindingen in staalconstructies: Momentvaste verbindingen volgens Eurocode 3, 2013
- National Structural Steelwork Specification (7th Edition), Publication No. 62/20, BCSA 2020
- Architectural Teaching Resource. Studio Gids. SCI 2003
Connection design tools:
- Basisplaatontwerper
- Eindplaatontwerper
- Fin plaatontwerper
- Gusset plaatontwerper
Zie ook
- Multi-kantoorgebouwen
- Kosten van staalconstructies
- Duurzaamheid
- Staalconstructieproducten
- Raamwerken
- Composietconstructies
- Ontwerpcodes en normen
- Modellering en analyse
- Momentbestendige verbindingen
- Structurele robuustheid
- Fabricage
- Lassen
- Nauwkeurigheid van staalfabricage
- Constructie
- Voorgespannen bouten