DUURZAAM BOUWEN - EEN EXPERIMENT MET MECHANISCHE VERBINDINGEN VOOR GELIJMD GELAMINEERD HOUT
De zware raamwerkconstructie van een winkelcentrum in de stad Hustopeče
Het artikel behandelt de analyse van de rotatiestijfheid van een flexibele houten verbinding gevormd door een systeem van twee glulam kolommen en een dwarsbalk. Hiervoor werden metalen mechanische pen-type bevestigingen gebruikt. Een combinatie van bouten en pennen werd samen met volledig van schroefdraad voorziene schroeven getest. Het onderwerp van het onderzoek en de motivatie was het vervangen van deze veelgebruikte bevestigingsmiddelen door modernere om het draagvermogen van dit type verbinding te verbeteren en ook om de montagetijd te verkorten en te vereenvoudigen. Elk van deze twee verbindingstypes werd belast tot het niveau van 60, 80 en 100 % van de uiterste grenstoestand. Vervolgens werd de rotatiestijfheid voor elk belastingsniveau bepaald na vijf cycli van belasten en ontlasten. De verkregen resultaten van experimentele testen werden vergeleken met de analytische aanname volgens de momenteel geldende norm en werden toegepast op verbindingen en details van een éénlaags zwaar raamwerk van een warenhuis in de stad Hustopeče. De dakconstructie van het warenhuis was ontworpen voor hoge belastingen en mogelijke dynamische effecten door de werking van een speelpark.
1. EXPERIMENTELE FYSISCHE ANALYSE OM HET GEDRAG VAN VERBINDINGEN EN DETAILS VAN DRAGENDE DELEN VAN DE CONSTRUCTIE TE VERIFIËREN
BESCHRIJVING VAN DE STRUCTUUR EN DE GEOMETRIE
Het structurele systeem van het experiment bestond uit een flexibele verbinding van twee kolommen en een dwarsbalk. De verbinding werd gemaakt met behulp van metalen mechanische pen-type bevestigingsmiddelen. In totaal werden er twee identieke constructiesystemen gemaakt, met als enige verschil de gebruikte bevestigingsmiddelen. Experiment A bevatte een combinatie van bouten en pennen als bevestigingsmiddelen en experiment B gebruikte alleen schroeven met volledige schroefdraad. Voor de constructie werd gelijmd gelamineerd hout van de opgegeven klasse GL24h gebruikt. Om de eigenschappen van het hout te verifiëren werden deelproeven gemaakt, die al gepubliceerd waren in het artikel van Johanides 2022 [1]. De kolom had een doorsnede van 100 x 300 mm en de dwarsbalk had een doorsnede van 100 x 300 mm. De treksterkte van het materiaal van de bevestigingsmiddelen is ook experimenteel geverifieerd in het bovengenoemde artikel. In experiment A werd een combinatie van bouten en pennen, staalkwaliteit 10.9, gebruikt. De buitendiameter van de draadstaaf was 8 mm, de binnendiameter was 7,25 mm. De bout was 360 mm lang en de lengte van de pin was 300 mm.
In dit experiment werden de bevestigingen voorgeboord met een boor van 8 mm. Het idee was om een verbinding te maken zonder initiële slip. Het materiaal van de bevestigingen in experiment B, de volledig van schroefdraad voorziene schroeven, was staalkwaliteit 10.9. De buitendiameter van de schroef was 8 mm, de binnendiameter van de schroef was 5 mm en de lengte was 300 mm. Deze bevestiging was voorgeboord met een boor met een diameter van 5 mm, ook om de initiële slip in de verbinding te minimaliseren.
De posities van de bevestigingen in beide experimenten waren identiek. Tien bevestigingen werden op een symmetrische cirkel geplaatst met een straal van r = 90 mm. De posities werden bepaald volgens Koželouh 1998 [2], zie Figuur 1.
Er werd een externe staalconstructie gebouwd om de randvoorwaarden voor de experimentele tests te creëren. Een diagram van de experimentele test zelf is weergegeven in Figuur 2.
BESCHRIJVING VAN HET BELASTINGSPROCES EN LOCATIE VAN DE VERPLAATSINGSSENSOREN
Het doel van de statische cyclische testen was om het gedrag van de raamwerkverbinding bij verschillende belastingsniveaus te onderzoeken en, op basis van de verkregen gegevens, de rotatiestijfheidswaarden voor individuele belastingsniveaus te bepalen.
Fig. 1 – Opstelling van de bevestigingen
Fig. 2 – Schematische weergave van het experiment: (a) onderzochte raamwerkverbinding, (b) staalconstructie, (c) vloer van gewapend beton
Het idee van dergelijke testen is gebaseerd op een praktische vereiste. Dit betekent dat in de praktijk civieltechnische constructies worden ontworpen voor grenstoestanden. In een reële constructie mag de uiterste grenstoestandswaarde niet worden overschreden, omdat er dan een risico op permanente schade aan de draagconstructie of instorting zou zijn. Daarom is de rotatiestijfheid van de verbinding voorbij de uiterste grenstoestand niet onderzocht. Drie belastingniveaus werden geselecteerd voor experimentele testen - 60, 80 en 100% van de uiterste grenstoestandswaarde.
De waarden van de rotatiestijfheid van de flexibele verbinding werden verkregen door de individuele externe effecten te scheiden. De eerste externe factor die de rotatiestijfheid van de verbinding beïnvloedde was de verbinding van het onderste deel van de kolommen met de staalconstructie. Een horizontale sensor, S2, werd geïnstalleerd om de helling van de kolom ten opzichte van de staalconstructie te bepalen, zie Figuur 3.
De tweede component was de individuele vervormingen van de segmenten van de constructie. Hun vervormingen konden worden berekend met de krachtmethode. Door de individuele vervormingscomponenten af te trekken van de totale vervorming verkregen van een verticaal georiënteerde sensor, S1, zie Figuur 3, krijgen we de werkelijke waarde van de vervorming veroorzaakt door de rotatiestijfheid van de flexibele verbinding.
EXPERIMENTELE TESTEN
De experimenten werden uitgevoerd in het Centrum voor Bouwkundige Experimenten en Diagnostiek van de VSB Technische Universiteit van Ostrava, Tsjechië. Figuur 4 (links) toont experiment A (a) met de bout en pen combinatie, Figuur 4 (rechts) toont experiment B (b) met de bouten met volledige schroefdraad voor plaatsing van de statische cyclische belasting. De belasting werd op de verbinding uitgeoefend met behulp van een stalen cilinder met een diameter van 50 mm. Onder deze cilinder werd een 10 mm dik rubberen kussen aangebracht om plaatselijke schade aan het hout tijdens het belasten te voorkomen.
Fig. 3 - Locatie van de vervormingssensoren, vooraanzicht links, zijaanzicht rechts.
Fig. 4 - Experimentele opstellingen: experiment A met de combinatie van bout en pen (a), experiment B met de schroeven met volledige schroefdraad (b).
Tabel 1 – Resultaatwaarden van rotatiestijfheid.
|
Methode |
Type bevestiging |
|
Waarde [MNm/rad] |
Vergelijking [%] |
|
ČSN EN 1995-1-1 [3] |
Bouten en pennen |
kr,u,EC5 |
0.323 |
- |
|
kr,u,EC5,1 |
0.299 |
-8 |
||
|
kr,u,EC5,2 |
0.293 |
-10 |
||
|
kr,test,60 |
2.198 |
+85 |
||
|
kr,test,80 |
1.055 |
+31 |
||
|
kr,test,100 |
0.404 |
+20 |
||
|
ČSN EN 1995-1-1 [3] |
Schroeven met schroefdraad |
kr,u,EC5 |
0.323 |
- |
|
kr,u,EC5,1 |
0.206 |
-57 |
||
|
kr,u,EC5,2 |
0.202 |
-60 |
||
|
kr,test,60 |
0.386 |
+16 |
||
|
kr,test,80 |
0.313 |
-3 |
||
|
kr,test,100 |
0.896 |
+64 |
RESULTATEN VAN EXPERIMENTEEL ONDERZOEK
Tabel 1 toont de waarden die uit het experiment zijn verkregen. Deze worden vergeleken met de ontwerpwaarden die zijn verkregen met de norm ČSN EN 1995-1-1 [3]. De waarde voor elk belastingsniveau werd verkregen door het gemiddelde te nemen van de waarden van vijf belastingscycli. In deze vergelijking wordt de waarde van kr,u,EC5 0.323 MNm/rad als referentiewaarde genomen. Deze waarde werd verkregen door de standaard materiaaleigenschappen te gebruiken in de formule voor de berekening van de slipmodulus volgens de bovengenoemde norm. De volgende waarde in de tabel is kr,u,EC5,1. Deze waarde is verkregen met behulp van de werkelijk gemeten diameter van de kern van de bevestiger en de werkelijk gemeten houtdichtheid. De laatste waarde van kr,u,EC5,2 is de waarde die is verkregen met behulp van de werkelijke diameter van de kern van de bevestiger en de standaardwaarde van de houtdichtheid volgens de sterkteklasse.
Figuren 5 en 6 tonen de 'belasting - rotatiestijfheid' diagrammen van de individuele verbindingen. Deze figuur toont ook de rotatiestijfheidswaarden die zijn berekend voor de uiterste grenstoestand (UGT) en de uiterste grenstoestand zonder toepassing van partiële veiligheidsfactoren (UGT 1).
Figuur 7 toont 'belasting - rotatiestijfheid' diagrammen voor individuele bevestigingen. Uit het diagram blijkt duidelijk dat de rotatiestijfheid van de verbinding met schroeven licht toeneemt bij toenemende belasting, terwijl de rotatiestijfheid afneemt voor de combinatie van bouten en pennen.
Figuur 8 toont een numeriek model van de geteste raamwerkhoek. Het is een component voor een zwaar raamwerk. Het doel van deze testen (er werden verschillende soorten bevestigingsmiddelen gebruikt, zowel in de hoek zelf als in de externe verbindingen met stalen elementen) was het bepalen van de rotatiestijfheden en het uitvoeren van de algemene analyse van het gedrag van dit type verbinding.
Figuur 9 toont foto's van de laboratoria van de Faculteit Civiele Techniek van de VSB Technische Universiteit van Ostrava.
Fig. 5 – Diagram ‘Belasting - rotatiestijfheid’ diagram, combinatie van bouten en pennen.
Fig. 6 – Diagram ‘Belasting - rotatiestijfheid’, schroeven met volledige schroefdraad.
Fig. 7 – Vergelijking van de rotatiestijfheid voor individuele bevestigingen: (a) schroef, (b) bout
Fig. 8 – Geometrie en eindige elementen net van de raamwerkhoek (a), totale vervorming van de geanalyseerde constructie (b).
Fig. 9 – Voorbereiding van de raamwerkhoektest (a), voorbeeld van de vervorming van de raamwerkhoek na belasting (b).
CONCLUSIES
Experimentele testen van een verbinding gemaakt van een veelgebruikte combinatie van bouten en pennen (experiment A) toonden de veiligheid en betrouwbaarheid van de verbinding aan bij belasting tot de uiterste grenstoestand. Vanuit het oogpunt van rotatiestijfheid geeft deze verbinding gedurende de gehele belastingsperiode hogere waarden dan de norm aanneemt voor de uiterste grenstoestand.
Experimentele testen van een verbinding gemaakt van volledig van schroefdraad voorziene schroeven (experiment B) hebben ook de veiligheid en betrouwbaarheid van de verbinding aangetoond bij belasting tot de uiterste grenstoestand. Vanuit het oogpunt van rotatiestijfheid bereikt deze verbinding geen waarden die hoger zijn dan de aanname van de norm voor de uiterste grenstoestand voor het belastingsniveau van 80% van UGT. Dit experiment suggereert dat om een nauwkeuriger resultaat van de rotatiestijfheid volgens Eurocode 5 [3] te verkrijgen, het noodzakelijk is om de diameter van de schacht van de bevestiger te gebruiken om de slipmodulus te berekenen. Als alternatief kunnen de diameter van de schacht van de bevestiger en de werkelijk gemeten houtdichtheid worden gebruikt. Aangezien het vanuit praktisch oogpunt moeilijk is om de werkelijk gemeten houtdichtheid te verkrijgen, geven de gegevens in dit document aan dat voldoende nauwkeurigheid kan worden verkregen door de diameter van de schacht van de bevestiger en de gedefinieerde waarde van de houtdichtheid van de norm te gebruiken.
De kwestie van het bepalen van het draagvermogen van houtverbindingen volgens de Europese normen voor het ontwerp van houtconstructies Eurocode 5 [3] is voortdurend in ontwikkeling. Deze trend kon ook worden ondersteund door de voorgestelde experimenten, die zich richtten op het bepalen van de rotatiestijfheid van een flexibele verbinding van een houten dwarsbalk en een kolom, gemaakt met behulp van mechanische pen-type bevestigingsmiddelen.
In termen van rotatiestijfheid kunnen de gegevens van de experimenten worden gebruikt voor het praktische ontwerp van dit type flexibele verbinding. De auteur, Marek Johanides, heeft afzonderlijke artikelen gepubliceerd over weerstand [4], ductiliteit [1] en rotatiestijfheid [5] van dit type verbinding.
Het voordeel van hout is zijn hernieuwbaarheid en karakter, dat mensen al duizenden jaren kennen en gebruiken.
Gezien de dichtheid heeft de houtmassa zeer goede sterkte-eigenschappen in de lengterichting van de vezels. Als het structurele element massief is, is de brandwerendheid ook hoog en als het wordt voorzien met passieve en actieve brandwerendheidselementen, is het mogelijk om houten huizen met meerdere verdiepingen te bouwen, zoals bijvoorbeeld in Brumunddal, Noorwegen.
Hout, als natuurlijk gegroeid materiaal, is gevoelig voor biologisch verval en aantasting (houtaantastende schimmels en insecten). Als het hout en de verbindingsdetails voldoende worden beschermd, kunnen deze constructies honderden jaren meegaan (de Kapellbrücke brug, Zwitserland).
2. TOEPASSING VAN DE MOGELIJKHEDEN VAN NUMERIEKE MODELLEN OP DE GEREALISEERDE BOUW VAN HET HUSTOPEČE COOP WARENHUIS
ZWARE RAAMWERKEN IN DUURZAAM BOUWEN
Zware op hout gebaseerde raamwerken zijn tegenwoordig een veelgevraagde optie voor gebouwen met meerdere verdiepingen of zware gebouwen. Dit wordt voornamelijk gedreven door de tendens om de industrie, waarvan de bouwindustrie deel uitmaakt, zo duurzaam mogelijk te maken, vooral met betrekking tot middelen en energie, inclusief milieuvriendelijkheid en hernieuwbare bronnen. Hout is een natuurlijk materiaal en heeft als zodanig zijn voordelen, maar ook eigenschappen die verbeterd moeten worden om de vereiste parameters van het type en het doel van het gebouw te bereiken.
Met de ontwikkeling van geavanceerde houtverwerking (GLT, CLT, etc.) aangevuld met de ontwikkeling van details van verbindingen met hoge capaciteit (staal, epoxyharsen, glasvezels en combinaties van deze materialen), samen met krachtige numerieke simulaties aangevuld met normatieve ervaring en fysieke testen, is het nu mogelijk om het gebouw als geheel te ontwerpen en te optimaliseren, waardoor gebouwen op houtbasis nieuwe volumes en vormen kunnen bereiken. Figuur 10 toont een visualisatie van een mogelijk praktisch gebruik van het dak van het ontworpen raamwerk.
Het doel van dit artikel is om de mogelijkheden van zware raamwerken te introduceren. In het algemeen kunnen dragende constructies op basis van het statische systeem worden onderverdeeld in raamwerk-, wand- en vakwerksystemen. Het raamwerksysteem is inherent het minst stijf, en dit geldt nog meer voor verbindingen in houtconstructies. Het wandsysteem is zeer stijf en kan worden overwogen voor hoogbouw (gewapend betonnen kernen van wolkenkrabbers). Het vakwerksysteem is relatief licht, heeft een goede stijfheid en de verbinding tussen de individuele elementen (met hoge knooppuntkrachten die hier worden geaccumuleerd) is, net als bij raamwerksystemen, ook het dominante punt. Met een geschikte geometrie leidt het wandsysteem niet tot zulke hoge knikkrachten in de verbindingen en dus ook niet tot zulke hoge lokale spanningen in de verbindingsdetails. Figuur 11 toont een ontwerp van een hal met afmetingen van ongeveer 30,6 × 46,3 × 6 m, de plattegrond is overwegend rechthoekig met zijtrappen. De hal is verbonden met een serviceconstructie aan de zijkant van de hal.
Fig. 10 – Niet-gerealiseerde visualisatie van het Hustopeče COOP warenhuis.
Fig. 11 – Gecombineerd systeem van COOP Hustopeče.
Fig. 12 – Zicht op de ingang van het warenhuis.
Fig. 13 – Interieur van het warenhuis in bedrijf (links), detail van de verankering van de "V"-kolom (rechts).
Fig. 14 – Aanzicht van de raamwerkelementen (links), de schroef voor hout en staal (rechts).
Fig. 15 – Interne krachten in de dragende elementen van het raamwerk.
Fig. 16 – Geassembleerde hoofddraagconstructie van de warenhuishal.
Fig. 17 – Numeriek model van de dragende elementen van het raamwerk.
Fig. 18 – Interne krachten in de dragende elementen van het raamwerk.
COOP WARENHUIS IN HUSTOPEČE
Het is een winkelcentrumgebouw van één verdieping met een zwaar dak, ontworpen als skatepark. Het hoofddraagsysteem wordt gevormd door kolommen en een stijve dakplaat met balken en tussenliggers. Geselecteerde houten elementen zijn gelijmd en hebben een breedte van 480 mm. De ruimtelijke stijfheid van de constructie wordt gegarandeerd door A- en V-kolommen die in rechthoekige rasters zijn geplaatst met een stijf dakvlak. De kolommen worden voornamelijk onderworpen aan druk en trek. De hoek van het raamwerk wordt gevormd door een gesloten driehoek. Figuur 12 toont de beklede structuur van de warenhuishal.
Het linkerdeel van Figuur 13 is het zicht op het ingerichte interieur van het warenhuis. Hier zie je de integratie van de draagconstructie in het schema dat nodig is voor de werking van het warenhuis. Ondanks de massiviteit biedt de structuur een natuurlijke indruk binnen de ruimte met de nadruk op het natuurlijke karakter van de hoofdelementen van de halstructuur. Gezien de afmetingen van de elementen en verborgen verbindingen zal de structuur een hoge brandwerendheid hebben. Het rechterdeel van Figuur 13 toont de kolom, zijn verankering en verbinding met andere elementen van de halconstructie.
Figuur 14 - links op de foto zien we één van de hoofdelementen van het houten "V"-frame; het raamwerksysteem is verbonden met de tussenligger. De tussenligger, 480 × 1.200 mm groot, is een gelijmd element gemaakt van gelijmd gelamineerd hout van klasse GL28h. De tussenligger is ook verbonden met gelijmde Gl28h balken met een doorsnede van 360 × 720 mm. De balk is verankerd aan de tussenligger met behulp van SFS-schroeven met volledige draad met een diameter van 13 × 500 mm, met 10 schroeven per verbinding. De verbinding is ontworpen voor een dwarskracht van ongeveer 211 kN van de dakbelasting, inclusief klimatologische en variabele belastingen.
De afbeelding rechts toont een mechanisch bevestigingsmiddel voor hout en staal. Met deze zelfborende pen kunnen houten elementen worden verbonden met stalen platen zonder voor te boren. De verbinding heeft een hoog draagvermogen en stijfheid. Deze verbindingen werden gebruikt in de koppen en voetstukken van de kolommen.
Figuur 16 toont het hoofddraagsysteem van het houten skelet van één verdieping vóór de bekleding. Figuur 17 toont vervolgens numerieke modellen van de hoofddraagelementen. De linker afbeelding toont een geselecteerde eigenvorm van stabiliteit voor de gespecificeerde belasting. Deze eigenvorm wordt bepaald door de lokale doorbuiging van de kolom. De middelste afbeelding toont het gebruikte bevestigingsmiddel - een schroef met volledige schroefdraad - dat werd gebruikt om het draagvermogen van het hout te vergroten voor druk loodrecht op de vezel, om dwarskrachten over te brengen (zie Figuur 15) en om de houtmassa samen te klemmen voor trek loodrecht op de vezel. De rechtse afbeelding toont een "A"-type draagraamwerk met vakwerkgedrag.
Deze afbeelding laat zien hoe het systeem van houten en stalen elementen numeriek gemodelleerd is. Het numerieke model is samengesteld uit schaal- en balkelementen [7], rekening houdend met de fundering en fysische en geometrische niet-lineariteit. Verder worden ook de slip in verbindingen en structurele niet-lineariteit met imperfecties beschouwd. Een dergelijk model kan apart worden geanalyseerd of als onderdeel van een globaal model. Als het afzonderlijke model in het globale numerieke model wordt opgenomen, neemt de complexiteit van de oplossing toe. De interactie is echter realistischer, omdat de randvoorwaarden worden gegeven door de "reële" modellering van de verbinding van de individuele elementen.
Figuur 18 is een detail van de linkse constructie uit Figuur 17, namelijk de voetplaat. De afbeelding links toont de contactspanning in de verbinding van de stalen beugel met de gewapende betonnen voet. De contactspanning is hier ongeveer 10,20 MPa voor een drukkracht van ongeveer 1.144 kN. De afbeelding aan de rechterkant toont de eigenmode van de stabiliteit voor de belasting die de maximale samendrukking zou moeten genereren. Lokale knik in de langere lijfplaat van de gesloten stalen box is duidelijk te zien. De eigenmodes die hier worden genoemd zijn ongeveer 2,7 maal de ingevoerde belasting. Het voordeel van complexe numerieke modellen is dat de berekening van niet-lineaire stabiliteitsmodi rekening houdt met de globale stijfheid.
Figuur 19 toont een deel van het draagsysteem van het houtskelet geselecteerd uit het gehele numerieke model. Dit numerieke model is samengesteld uit volume- en balk-eindige elementen. Het probleem is een contactprobleem en er wordt rekening gehouden met de orthotropie van hout met bilineaire spanning-rekdiagrammen voor hout en staal.
Het linkerdeel van Figuur 20 toont het eindige elementen net van de tussenligger en balk met de stalen schroeven. De verbinding wordt gemaakt via contacten met wrijving en slip. Het numerieke model in de figuur is een deel van het globale model, zie Figuur 19. De netgrootte van het geanalyseerde detail van de dwarsverbinding werd zo gekozen dat de verbinding onderhevig is aan ongeveer 211 kN, wat de maximale kracht is in het balkenmodel. De afbeelding rechts is een detail van de schroeven die in de tussenligger en balk zijn geïnstalleerd en die een dwarsverbinding vormen.
De afbeelding toont een spanning van ongeveer 1.019 MPa in het gebied van de verbinding van de balk en tussenligger. Dit deel van de verbinding gedraagt zich als een vakwerk, wat overeenkomt met de aannames die zijn toegepast bij het ontwerp van deze verbinding. Deze verbinding wordt in de bouwpraktijk al tientallen jaren gebruikt.
Figuur 21 - het linkerdeel toont de schuifspanning in de tussenligger met de afmeting 480 × 1.200 mm. De schuifspanning in de verbinding van de tussenligger en de draagbalk bereikt een waarde van ongeveer 2 MPa. Voor massief hout en dit type en richting van belasting schrijft de norm de karakteristieke spanningswaarde 2,7 MPa voor. De waarde van de schuifweerstand voor de genoemde belasting varieert van 3 MPa tot 6 MPa. De rechtse afbeelding toont de spanning in de balk van 360 × 720 mm. Het gedrag is vergelijkbaar met het gedrag in de linkse afbeelding voor de balk. De analyse hield ook rekening met mogelijke onnauwkeurigheden in de contactverbinding tussen de draagbalk en de tussenligger. Varianten van numerieke modellen hielden rekening met zowel het onmiddellijke contact tussen de draagbalk en de tussenligger, als met een speling tussen de elementen van de tussenligger en de draagbalk, zelfs na belasting.
De geanalyseerde modellen toonden aan dat de invloed van het contact tussen het balkvlak en het oppervlak van de tussenligger geen significant effect heeft op de spanning in de schroeven tot ongeveer 7% van de Von Mises spanning. Wanneer de tussenligger en de draagbalk volledig contact maken, is er een merkbare toename van de contactspanning loodrecht op de vezel, die plaatselijk 5,0 MPa kan bereiken.
Figuur 22 toont de spanningsverdeling loodrecht op de vezel. Voor de belasting aan het uiteinde van de balk van 211 kN is het lokale maximum van de trekspanning loodrecht op de vezel 2,70 MPa en het lokale minimum van de drukspanning loodrecht op de vezel 5 MPa. Dit zijn waarden op de grens van de houtsterkte. Door hun aard is dit gedeeltelijk een numeriek maximum veroorzaakt door vereenvoudigingen in de modellering en door de keuze van een materiaalmodel dat het gedrag van hout (anisotropie) niet volledig kan beschrijven. Deze extremen ontstaan en stapelen zich op in het gebied waar de schroeven elkaar kruisen en van de draagbalk naar de tussenligger gaan. De onderspanning in de tussenligger loodrecht op de vezel wordt gegeven door het numerieke model, dat rekening houdt met het onmiddellijke contact tussen de draagbalk en de tussenligger en het wrikken in de tussenligger rond de onderrand. Hier verandert de belasting van de schroeven ook lichtjes door wrijving, omdat ze beperkt zijn om rond een specifiek punt te draaien. Figuur 22 - het rechterdeel toont de vervorming van de draagbalk en de tussenligger. Het minimum is ongeveer 9 mm en het maximum 12 mm. De onderlinge slip tussen het liggervlak en de projectie van het liggervlak op de tussenligger veroorzaakt door de maximale schuifkracht van 211 kN per verbinding is ongeveer 0,977 mm.
Fig. 19 – Vervorming van een geselecteerde draagbalk inclusief het detail van de dwarsverbinding, ANSYS-model [6].
Fig. 20 – Detail van het numerieke model van het eindige elementen net en schroeven.
Fig. 21 – Schuifspanning in de tussenligger en balk in het geselecteerde verbindingsdetail.
Fig. 22 – Detail van het numerieke model, trekspanning loodrecht op de vezel en vervorming van de verbinding.
TOEPASSING VAN NUMERIEKE METHODEN IN DE PRAKTIJK
Om de analyse van zware raamwerken en hun details samen te vatten, is de toepassing van numerieke methoden voordelig voor details en constructies die nieuw zijn in hun aard of onderhevig zijn aan hoge belasting en waarvan de geometrie en verankeringsmethode minder bekend zijn. Numerieke methoden moeten worden aangevuld met een door de norm gedefinieerde oplossingsmethode, vakliteratuur en, indien nodig, ook met fysieke testen. Overleg met senior experts op dit gebied is ook een essentieel onderdeel.
Wanneer dit scala aan benaderingen voor het oplossen van nieuwe soorten verbindingen en constructies beschikbaar is, is het mogelijk om complexe constructies samen te stellen en hun systeem en details te optimaliseren zodat hun sterkte en stijfheid gepaard gaan met een geschikte ductiliteitsrespons.
Op vandaag is het gepast en noodzakelijk om rekening te houden met de toestand van de planeet en haar hulpbronnen, zonder welke onze beschaving in haar huidige vorm niet kan overleven, en kan de ontwikkeling op het gebied van gebouwen op houtbasis ecologische en afbreekbare materialen opleveren die niet alleen mooi zijn, maar ook volledig functioneel en bestand tegen hoge belastingen. Op deze manier kan een breed gebied van de bouw profiteren, van gezinsbouw tot gebouwencomplexen en hoogbouw met meerdere verdiepingen (voorbeelden zijn Scandinavië, Oostenrijk en Engeland).
LITERATUUR
[1] Johanides, M.; Lokaj, A.; Mikolasek, D.; Mynarcik, P.; Dobes, P.; Sucharda, O. Houten flexibele raamwerkverbinding met verbeterde vervormingscapaciteit en ductiliteit. Gebouwen 2022, 12, 583. https://doi.org/10.3390/buildings12050583.
[2] Houtconstructies volgens Eurocode 5; STAP 1: Ontwerp en constructiematerialen; Vertaald door Bohumil Koželouh; KODR: Zlín, Tsjechië, 1998; ISBN 80-238-2620-4 (in Tsjechisch).
[3] ČSN EN 1995-1-1. Eurocode 5: Ontwerp van houtconstructies - Deel 1-1: Algemeen - Gemeenschappelijke regels en regels voor gebouwen; Tsjechisch Normalisatie-instituut: Praag, Tsjechië, 2006.
[4] Johanides, M.; Lokaj, A.; Dobeš, P.; Mikolášek, D. Numerieke en experimentele analyse van het draagvermogen van een flexibele houten deuvelverbinding. Materialen 2022, 15, 7222. https://doi.org/10.3390/ma15207222.
[5] Johanides, M.; Lokaj, A.; Dobeš, P.; Mikolášek, D. Numerieke en experimentele analyse van de rotatiestijfheid van een halfstijve houten deuvelverbinding. Materialen 2022, 15, 5622. https://doi.org/10.3390/ma15165622.
[6] ANSYSTM, beschikbaar op www.ansys.com.
[7] SCIA Engineer, beschikbaar op www.scia.net.
Auteurs:
Ing. Marek Johanides, Ph.D., is gespecialiseerd in hout- en staalconstructies met betrekking tot numerieke modellering aangevuld met fysische testen. Hij is lid van het Centrum voor Bouwkundige Experimenten en Diagnostiek van VSB Technische Universiteit van Ostrava, Tsjechië.
Prof. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., is gespecialiseerd in hout- en staalconstructies met betrekking tot toegepast onderzoek en ontwikkeling van verbindingsdetails in gecombineerde constructies. Hij is hoofd van de afdeling Constructies en vicedecaan voor ontwikkeling aan de Faculteit Civiele Techniek, VSB Technische Universiteit van Ostrava, Tsjechië.
Ing. David Mikolášek, Ph.D., is gespecialiseerd in hout-, staal- en composietconstructies met betrekking tot numerieke modellering gevalideerd door fysieke testen. Hij is lid van de afdeling Constructies aan de Faculteit Civiele Techniek, VSB Technische Universiteit van Ostrava, Tsjechië.
Ing. Pavel Dobeš, Ph.D., is gespecialiseerd in bouwconstructies, details met betrekking tot hun diagnostiek, testen en berekeningen. Hij is lid van het Centrum voor Bouwkundige Experimenten en Diagnostiek van VSB Technische Universiteit van Ostrava, Tsjechië.
Ing. Pavel Vlček, Ph.D., is gespecialiseerd op het gebied van civiele bouw en het opnemen van nieuwe kennis over structurele systemen in de bouwpraktijk. Hij is lid van de afdeling Civiele Techniek van de Faculteit Civiele Techniek, VSB Technische Universiteit van Ostrava, Tsjechië.
Ing. Robert Martinek is een specialist op het gebied van houtconstructies met een focus op het ontwerp, de optimalisatie en productie van houten details en constructies. Hij werkt als uitvoerend directeur bij EXTEN CZ.
Het artikel werd gepubliceerd in het tijdschrift KONSTRUKCE 4/2023 (https://konstrukce.cz).
