Classificatie van gewrichtsstijfheid

De rol van gewrichtsstijfheid in structurele integriteit

Bij het ontwerpen van staal bepaalt het gedrag van verbindingen vaak hoe krachten zich verplaatsen, hoe frames vervormen en uiteindelijk hoe veilig en economisch een constructie wordt.

Toch vertrouwen onze ontwerpen vaak nog op vereenvoudigde aannames: een verbinding is of "stijf" of "gependeld". Deze vereenvoudiging kan mogelijk oneconomisch of onveilig zijn en het risico bestaat dat kritisch structureel gedrag over het hoofd wordt gezien.

• Bij starre aannames wordt de momentoverdracht overschat, wat vaak resulteert in een overontwerp.
• Verankerde aannames negeren rotatiestijfheid, waardoor doorbuigingen mogelijk worden onderschat en interne krachten onjuist worden herverdeeld.
• Halfstijf gedrag komt in de meeste constructies voor, maar wordt vaak overgeslagen ten gunste van conservatisme of om het ontwerpwerk snel te kunnen doen.

Het negeren van het werkelijke stijfheidsgedrag van verbindingen leidt tot onverwachte doorbuigingen, verkeerd uitgelijnde krachtpaden, overontwerp of, erger nog, onveilige prestaties van verbindingen. Als we willen ontwerpen voor prestaties, veiligheid en efficiëntie, dan zou stijfheidsclassificatie niet optioneel moeten zijn, maaressentieel.

Wat zijn de gevolgen als je de stijfheid van verbindingen niet classificeert?

Waarom zouden we ons druk maken over de stijfheid van verbindingen en wat zijn de gevolgen als je de stijfheid van de verbindingen niet classificeert?

• Onnauwkeurig constructief gedrag in globale berekeningen die de momentverdeling beïnvloeden en onderschatting van de vervorming van de constructie.
• Onjuiste detaillering en ontwerp van verbindingen (bijv. verbindingen kunnen zijn ontworpen om momentvast te zijn, terwijl ze in feite momenten aantrekken door gedeeltelijke stijfheid.
• Overontwerp of, erger nog, onderontwerp van constructiedelen als gevolg van een onnauwkeurige momentverdeling.
• Gevolgen voor de stabiliteit, vooral in seismische en windgevoelige gebieden.
• Kwetsbaarheid voor onevenredig bezwijken als de verbindingen halfstijf zijn en het verkeerd classificeren als stijf of gependeld kan ervoor zorgen dat u een potentieel alternatief belastingpad mist.
• Misleidende trillingen en dynamische respons als verbindingen perfect stijf of gepend gemodelleerd zijn terwijl ze in werkelijkheid halfstijf zijn, dan wordt de natuurlijke frequentie van de constructie verkeerd voorspeld.
• Onnauwkeurige of niet-conservatieve voorspelling van de brandwerendheid als het ontwerp zo stijf is dat de meeste verbindingen hun stijfheid en sterkte tijdens brand sneller verliezen dan de onderdelen.
• En de lijst gaat maar door...

Kortom, de modelaanname moet consistent zijn met de geleverde verbinding, anders loop je het risico dat je niet aan de eisen voldoet. Het niet classificeren van de stijfheid van de verbindingen kan gevolgen hebben voor de stabiliteit en duurzaamheidsprestaties.

De Eurocode en AISC bieden kaders voor het categoriseren van de stijfheid van verbindingen, maar om dit in de echte ontwerppraktijk toe te passen is meer nodig dan theorie.

Hoe de normen de stijfheid van verbindingen classificeren

De Eurocode (EN 1993-1-8) en AISC (360) definiëren drie soorten verbindingen:

1. Stijf of volledig beperkt
2. Halfstijf of gedeeltelijk beperkt
3. Vastgepind of eenvoudig

In de Eurocode (EN 1993-1-8 Cl. 5.2.2) is de classificatie gebaseerd op de initiële rotatiestijfheid,_Sj,ini van de verbinding ten opzichte van de stijfheid van de balk.

Waarbij:

• _Sj,ini = initiële rotatiestijfheid van de verbinding
• E = elasticiteitsmodulus van Young
• _Ib = Theoretische lengte van de geanalyseerde balk
• _Lb = Overspanning van de ligger
• _E*Ib = buigstijfheid van de geanalyseerde ligger

In AISC 360-16 commentaar B3.4 is de classificatie gebaseerd op de secante stijfheid,_Ks gemeten op het niveau van de bedrijfsbelasting.

Waarbij:

• _Ks = secante stijfheid gemeten op het serviceniveau
• E = elasticiteitsmodulus van Young
• I = theoretische lengte van de geanalyseerde ligger
• L = de overspanning van de ligger
• E*I = buigstijfheid van de geanalyseerde ligger

Hoewel de waarden voor beide normen verschillend leken, zijn deze cijfers afgeleid van de moment-rotatie (M-θ) curve, die weergeeft hoeveel rotatie een verbinding ondergaat bij een toenemend moment.

Om deze nauwkeurig te evalueren, moeten ingenieurs

• De geometrie van de verbinding ontwerpen (platen, bouten, lassen),
• De moment-rotatiecurve simuleren,
• Deze vergelijken met elke drempelwaarde van de code,
• Dan beslissen of de verbinding stijf, halfstijf of gepend is.

Hoewel dit proces conceptueel eenvoudig is, is het vervelend en foutgevoelig, tenzijje het juiste gereedschap hebt. Dit is waar IDEA StatiCa een stap voorwaarts zet door ingenieurs in staat te stellen om van aannames over te gaan naar een geverifieerd ontwerp dat voldoet aan de norm.

Benadering van stijfheidclassificatie in verbindingstoepassingen

Terwijl IDEA StatiCa dezelfde stijfheidsanalysebenadering gebruikt voor zowel AISC als Eurocode, ook al verschillen deze standaarden in methodologie, gebruikt het code-onafhankelijke stijfheidsclassificatie die het volledige moment-rotatie (M-θ) gedrag van de verbinding genereert, voornamelijk voor praktische en rekenkundige consistentie. Deze aanpak komt niet alleen overeen met beide normen Eurocode en AISC, maar ook met de meeste nationale normen wereldwijd.

Informatie over andere nationale normen is ook te vinden in de onderstaande artikelen:

• Indeling van verbindingen volgens Eurocode (EN)
• Staalverbindingenclassificatie volgens Amerikaanse norm (AISC)
• Staalverbindingenclassificatie volgens Canadese norm (CSA)
• Staalgewrichtsclassificatie volgens Australische norm (AS)
• Indeling volgens stijfheid voor Indiase norm (IS)
• Indeling volgens stijfheid voor Hong Kong Code (HKG)
• Gewrichtsclassificatie volgens Chinese norm (GB)
• Gewrichtsclassificatie volgens Russische normen (SP)

Hoe wordt gewrichtsclassificatie gedaan in IDEA StatiCa?

Je kunt de stijfheidsanalyse uitvoeren in IDEA StatiCa Connection. Voor een veel snellere workflow kunt u gebruik maken van uw globale FEA- of CAD-modellen om uw verbindingen te exporteren via BIM Link. Of probeer een van onze beschikbare tutorials.

Om een stijfheidsanalyse uit te voeren, moet je in de vervolgkeuzelijst het analysetype in de toepassing Verbinding selecteren op stijfheid.

Na het uitvoeren van de analyse krijgt u de resultaten over de classificatie van uw verbindingen, die stijf, halfstijf of gepend kunnen zijn.

En bovenal worden alle belangrijke parameters weergegeven in een tabel voor eenvoudige interpretatie.

Vervolgens kunt u de rotatiestijfheid invoeren in uw globale FEA-analysemodel. Hiermee is je model afgestemd op het werkelijke gedrag van de constructie.

Conclusie

IDEA StatiCa Connection stroomlijnt het stijfheidsclassificatieproces en wijst automatisch stijfheidsklassen toe en extraheert nauwkeurige rotatiestijfheidsparameters. Door deze parameters te integreren in uw globale FEA-analysemodellen, stemt u uw ontwerp af op het werkelijke structurele gedrag van de verbindingen en zorgt u voor een nauwkeuriger verdeling van de belasting, realistische voorspellingen van vervorming en betrouwbare veiligheidscontroles. Dit voorkomt onveilige aannames en elimineert onnodig overontwerpen, waardoor uiteindelijk constructies worden geleverd die zowel veilig als economisch zijn.