sensd.03 - Ontwerp van staalbetonliggers

SCIA Engineer bevat een uitgebreide oplossing voor het modelleren, analyseren en ontwerpen van staalbetonvloeren. De software automatiseert de twee belangrijkste taken van ingenieurs om een veilig en uitvoerbaar ontwerp te realiseren:

• structurele analyse van de vloer binnen een 3D-EEM-omgeving: inclusief bouwfasen, gedeeltelijke staalbetonwerking tussen liggers en plaat en een specifieke omgang met belastingen die typisch is voor dit structurele systeem;
• normgebaseerde ontwerp van afzonderlijke staalbetonliggers: controles voor uiterste grenstoestand en bruikbaarheidsgrenstoestand, inclusief een geautomatiseerd ontwerp en ordening van afschuifverbindingen.

Daarnaast zijn de staalbetonentiteiten geïntegreerd in geavanceerde technische ontwerpprocedures: door zowel de platen als de liggers te modelleren, kan nu eenvoudig het gedrag van starre beplating worden gerepresenteerd en rekening worden gehouden met niet-lineariteiten. U kunt een stabiliteitsanalyse, modale analyse, seismische analyse of tweede-ordeanalyse inzetten met initiële imperfecties om inzicht te krijgen in het gedrag van het gebouw als geheel.

Zodoende kunt u nu hetzelfde platform gebruiken om geavanceerde modellen te maken in een 3D-CAE-analyseomgeving en kunt u ontwerpcontroles en normconforme optimalisatie uitvoeren op alle of op geselecteerde staalbetonliggers in deze modellen.

Belangrijkste voordelen van de oplossing voor staalbetonvloeren van SCIA Engineer

• Met de multi-modelbenadering kunt u de bouwfase en de eindfase(staalbeton) gelijktijdig controleren zonder dat u het model moet aanpassen.
• Dit gefaseerde analysemodel bevat tevens kruipvervorming en een gedeeltelijke afschuifverbinding tussen staalliggers en een betonplaat. Hierdoor representeren de EEM-resultaten de daadwerkelijke vervorming van de vloer.
• Platen kunnen worden gerepresenteerd door starre, halfstarre of verende vloerbeplatingen, afhankelijk van hun stijfheid en uw behoeften voor een bepaalde taak of toetsing.
• De verdeling van vlaklasten op basis van de inlaatoppervlaktemethode zorgt ervoor dat de resultaten beter inzichtelijk zijn en vergelijkbaar zijn met handmatige berekeningen.
• Dankzij een geautomatiseerde omgang met eigengewicht (dat wil zeggen een hoger gewicht van vers beton en hogere veiligheidsfactoren die hieraan zijn gerelateerd tijdens de uitvoering) en met belastingscombinaties kan tijdens het ontwerp eenvoudiger en correct rekening worden gehouden met bouwfasen.
• Een uitgebreide elementtoetsing wordt uitgevoerd volgens EN 1994-1-1 of AISC 360, waaronder UGT- en BGT-controles voor zowel de bouwfase als de eindfase.
• Detailleringseisen zorgen dat de liggers op locatie kunnen worden gebouwd en dat de ontwerpmethodes van toepassing blijven: de geometrie van staalliggers en geprofileerde staalplaten, de dikte van de toplaag van beton, de positie, diameter en tussenafstand van schuifconnectoren en de wapening in de plaat worden allemaal gecontroleerd.
• Er wordt rekening gehouden met normgebaseerde en door de gebruiker gedefinieerde eisen voor tussenafstand voor schuifconnectoren. Dit is belangrijk wanneer de aannemer speciale eisen stelt voor de uitvoering op locatie.
• De buigmomentweerstand in de eindfase van de uiterste grenstoestand wordt gebaseerd op een plastische spanningsverdeling in de staalbetonsectie, waarbij rekening wordt gehouden met de gedeeltelijke afschuifverbinding.
• Bij openingen in lijven van staalliggers worden extra toetsingen uitgevoerd: volgens SCI P355 in de context van Eurocode 4 en volgens AISC Design Guide #2 in de context van AISC 360.
• Het automatische ontwerp (AutoDesign) stelt een passende doorsnede, afschuifdeuvellay-out en zeeg (indien nodig) voor om een plek te geven aan alle UGT-toetsingen, BGT-toetsingen en aanvullende openingtoetsingen voor zowel bouw- als eindfase, waarbij ook rekening wordt gehouden met detailleringsvoorwaarden.
• Met diverse beschikbare uitvoer- en weergaveniveaus in het 3D-beeld kunt u informatieve en schaalbare rapporten van het ontwerp maken.
• Voor het ontwerp van staalbetonliggers zijn vloertrillingscontroles volgens AISC 360 beschikbaar.
• Er wordt een vereenvoudigde controle van de voorspelde eigenfrequentie uitgevoerd voor toetsingen volgens Eurocode 4. 
• In de Eurocode-omgeving zijn brandwerendheidscontroles volgens EN 1994-1-2 beschikbaar voor zowel de bouwfase als de eindfase.

Bereik en beperkingen

• De staalbetonliggerfuncties die hier worden beschreven, gelden voor het ontwerp van gebouwen.
• De staalliggers moeten prismatisch zijn en moeten een symmetrisch I-profiel hebben: een I-profiel (zoals HE, UB, IPE of gelaste plaat) voor Eurocode 4-toetsingen of een W-vorm voor AISC 360-toetsingen.
• De staalbetonplaten moeten bestaan uit een geprofileerde staalplaat en een toplaag van beton. Massieve platen kunnen via een omweg en met de nodigde technische knowhow worden ontworpen met een bepaalde conservatieve marge.
• De verbinding tussen de staalliggers en de betonplaat wordt gerealiseerd met deuvels met kop.
• In de AISC 360-controles kan per ligger rekening worden gehouden met slechts één lijfopening.
• De brandwerendheidscontroles die worden uitgevoerd volgens Eurocode 4 houden geen rekening met lijfopeningen.

Modellering en analyse in een 3D-EEM-context

Het Analysemodel Staalbeton (CAM) in SCIA Engineer analyseert de volledige structuur tijdens de bouw-, service- en onderhoudsfasen. De fasen zijn volledig geautomatiseerd voor belastingscombinaties, analyse, resultaten en dergelijke, zodat ermee kunt werken alsof u een standaard lineaire berekening uitvoert. Vervormingen en belastingseffecten verkregen uit de verschillende fasen worden gesuperponeerd, waarbij rekening wordt gehouden met de daadwerkelijke afschuifverbinding tussen liggers en plaat en met de kruip in beton.

Er worden geen beperkingen gesteld voor het structurele systeem of voor de ordening van de liggers: de staalbetonliggers kunnen eenvoudig ondersteund of continu zijn, uitkragingen zijn, parallel lopen of een willekeurige richting hebben. Op basis van de ligging van de staalplaten detecteert het CAM welke liggers primair zijn en welke secundair. Hiermee wordt later, in de controles en in AutoDesign, rekening gehouden.

Het CAM leidt de exacte orthotropische eigenschappen van de geprofileerde staalplaten en de toplaag van beton af en gebruikt deze in de EEM-berekeningen. De stijfheid van de staalbetonliggers wordt verhoogd op basis van de afschuifverbindingsgraad tussen liggers en plaat.

Ook de effectieve breedte van staalbetonliggers wordt automatisch berekend. In de ontwerpnormen EN 1994-1-1 en AISC 360-10 is bepaald welke breedte van een staalbetonplaat bijdraagt aan de sterkte en stijfheid van een staalbetonligger. Het volgende wordt automatisch gedetecteerd:

• de overspanningslengte;
• de randvoorwaarden in de betreffende overspanning en in aangrenzende overspanningen;
• de afstand tot aangrenzende elementen in het 3D-model (zoals andere liggers, wanden of openingen in de plaat);
• de afstand tot plaatranden.

Voor een nauwkeurigere schatting van de stijfheid van bijvoorbeeld raatliggers en andere liggers met openingen, houdt het CAM ook rekening met alle openingen in de lijven van staalliggers. Lijfopeningen die gemodelleerd zijn op 1D-elementen worden later meegewogen in de ontwerpmodules. Raatliggers kunnen ook worden ontworpen met het ontwerphulpmiddel Cellbeam van de Britse fabrikant Westok. Er is een koppeling in twee richtingen beschikbaar tussen SCIA Engineer en Cellbeam voor het exporteren en importeren van staal- en staalbetonliggers.

Bouwfasen

De software beheert intern drie EEM-submodellen met verschillende stijfheden voor de staalbetonplaten: een voor de bouwfase en twee voor de eindfase van staalbeton; met langetermijn- en kortetermijnstijfheid. Het fasegebaseerde model maakt gebruik van reologische effecten (zoals kruip) door in de eindfase (service) onderscheid te maken tussen belastingsgevallen op de lange en de korte termijn.

U kunt het beheren van belastingsgevallen of van combinaties tussen de verschillende fasen door de software laten afhandelen of dit zelf doen. De software houdt rekening met het feit dat vers beton tijdens de bouwfase meer weegt omdat het meer water bevat. Vers beton wordt bovendien beschouwd als een variabele last met passende veiligheidsfactoren. Dit komt door de leveringsmodus en doordat vloeibaar beton op bepaalde plekken van de plaat en op afzonderlijke liggers kan ophopen.

Compatibiliteit met ontwerpnormen

Er wordt ondersteuning geboden voor twee mathematische formuleringen van staalbetonplaten met staalliggers. Met de standaardformulering ("standaardstaalbetonwerking") kunnen normaalkrachten, die ontstaan door excentriciteit tussen de plaat en de ligger, in het EEM-model worden vermeden. Deze idealisatie is geschikt voor de meeste ontwerptaken en is als enige compatibel met de ontwerpmethodes die zijn beschreven in AISC 360 en Eurocode 4. In deze formulering worden buigende momenten in de liggers verhoogd en deze komen overeen met vereenvoudigde methodes van aflopende belasting die meestal in handmatige berekeningen worden gebruikt. 

De tweede formulering ("geavanceerde staalbetonwerking") is gebaseerd op de daadwerkelijke doorsnede-eigenschappen en de uitlijning van de liggers. Daardoor, en als gevolg van de excentrische positie van het 1D-element, worden zowel in de ligger als in het dek normaalkrachten gegenereerd. De tweede benadering is met name praktisch voor een geavanceerdere analyse van de volledige staalbetonstructuur.

Belasting: beplatingen en inlaatoppervlakten

Starre beplatingen in het vlak in combinatie met de inlaatoppervlakteverdeling voor zwaartekrachtlasten bieden een goede benadering van het daadwerkelijke gedrag van staalbetonvloeren. Deze twee modelleerfuncties leveren heldere en toetsbare resultaten op en verkorten de berekening.

Starre beplatingen vereenvoudigen het analysemodel op basis van redelijke aannames die zijn getoetst door jarenlange technische ervaring. Laterale lasten worden over verticale dragende elementen verdeeld op basis van hun stijfheid. Zwaartekrachtlasten worden op basis van inlaatoppervlakten verdeeld over vloerliggers.

De resultaten van een dergelijke numerieke formulering van de staalbetonplaat zijn rechtstreeks vergelijkbaar met handmatige berekeningen en parasitaire momenten in diverse onderdelen van de structuur worden vermeden.

Verende beplatingen zijn praktisch voor het modelleren van staaldekdaken. Dergelijke daken worden vaak aangetroffen in gebouwen met vloeren van staalbeton, waar het toevoegen van een betonplaat voor het dak financieel niet gerechtvaardigd is.

Halfstarre beplatingen zijn een goede oplossing als u de lastverdelingsmethode van het inlaatoppervlakte wilt gebruiken voor zwaartekrachtlasten en de EEM-formulering wilt houden voor laterale lasten. Dit is vaak nodig op plekken waar openingen in de plaat de laterale starheid van de vloer aantasten.

Bibliotheken

De volgende bibliotheken helpen u bij het definiëren van een staalbetonvloer:

• een bibliotheek voor staalplaten met algemene dekken van Europese, Britse en Noord-Amerikaanse fabrikanten;
• een bibliotheek voor afschuifdeuvels.

Tijdens het modelleren selecteert u producten uit de bibliotheek of definieert u dekken of deuvels handmatig. U kunt de bibliotheek voor dekken verder uitbreiden met uw eigen platen. Het is ook mogelijk om te filteren op diverse criteria (zoals de fabrikant of met een wildcard).

Normgebaseerd ontwerp volgens EN 1994-1-1

Het ontwerp van staalbetonliggers wordt uitgevoerd volgens EN 1994-1-1 en volgens relevante onderdelen van EC2, EC3 en een aantal publicaties van het Steel Construction Institute (SCI) over dit onderwerp. Het volgende is beschikbaar:

• Er worden controles uitgevoerd voor de uiterste grenstoestand en de bruikbaarheidsgrenstoestand voor zowel de bouwfase als de eindfase van staalbeton.
• Primaire en secundaire liggers worden herkend en verschillend behandeld voor bijvoorbeeld het bepalen van de deuvelindeling.
• Via de effectieve breedte, die varieert langs de lengte van de ligger, wordt rekening gehouden met de bijdrage van betonplaten aan de weerstand van staalliggers in de eindfase.
• De doorsnedeclassificatie wordt gebaseerd op de daadwerkelijke positie van de neutrale as in de staalbetondoorsnede.
• Het ontwerp van afschuifdeuvels is gebaseerd op UGT-overwegingen en detaillering. U kunt de deuvelafstand ook handmatig invoeren en dit toetsen. Aanvullende controles van de deuvelplaatsing worden uitgevoerd wanneer aanzienlijke puntkrachten op de ligger aanwezig zijn.
• De zeeg kan worden ontworpen of ingesteld (als een absolute waarde of als een relatieve waarde ten opzichte van de overspanningslengte).
• Ondersteuning voor parameters van Eurocode nationale bijlagen.
• De weerstand van deuvels met kop wordt aangepast volgens de SCI-publicatie “NCCI PN001a-GB: Resistance of headed stud shear connectors in transverse sheeting”  wanneer de nationale bijlage van het Verenigd Koninkrijk is geselecteerd. Dit houdt rekening met de geometrie en het gedrag van modernere staalplaten en voldoet aan zowel de Eurocode 4 als de technische praktijken in die regio.
• U kunt diverse openingen in het lijf van de staalligger definiëren. In dat geval worden extra controles uitgevoerd volgens SCI P355 “Design of composite beams with large web openings”. Er wordt ondersteuning geboden voor cirkelvormige, rechthoekige en verlengde gewapende en niet-gewapende openingen.
• Een economischer ontwerp kan worden bereikt door de staalbetonwerking te beperken tot onder de limieten van EN 1994-1-1. U kunt deuvels ontwerpen volgens SCI 405: Minimum degree of shear connection rules for UK construction to Eurocode 4.
• De resultaten van de controle kunnen op de liggers in het 3D-beeld worden getekend en in de Tabelresultaten worden weergegeven. Indicatoren van fouten, waarschuwingen en notities en ontwerpsamenvattingen worden direct op de liggers in het 3D-beeld getekend.
• De uitvoer heeft drie niveaudetails, zodat u het eindrapport op verschillende schalen kunt weergeven. U selecteert de passende uitvoervariant op basis van de specifieke eisen. De Beknopte uitvoer geeft een samenvatting van het ontwerp in één tabelrij, de Standaard uitvoer geeft een samenvatting van de belangrijkste mijlpalen van het ontwerp en de Gedetailleerde uitvoer levert een beschrijving van de berekening met de gerenderde formules, tussenliggende berekeningsstappen en afbeeldingen op schaal.

Zoals hierboven al is beschreven, kunnen raatliggers ook worden ontworpen met het ontwerphulpmiddel Cellbeam van de Britse fabrikant Westok. Er is een koppeling in twee richtingen beschikbaar tussen SCIA Engineer en Cellbeam voor het exporteren en importeren van staal- en staalbetonliggers.

Automatisch ontwerp

 

De procedure AutoDesign doorloopt alle controles van uiterste grenstoestand en bruikbaarheidsgrenstoestand en detailleringsvoorwaarden in de bouw- en eindfasen. Vervolgens worden passende doorsneden, deuvellay-outs en zeegwaarden voorgesteld die aan alle eisen van de ontwerpnorm voldoen. Dit geldt ook bij lijfopeningen op liggers. Dit levert een oplossing op die economisch en veilig is. In één stap wordt voldaan aan de grenstoestanden en de detaillering.

U kunt de optimalisatie op de volgende manieren beheren:

• U selecteert een "optimalisatiestrategie", die ofwel de grootte van staalliggers (waardoor meer deuvels worden gebruikt) ofwel het aantal deuvels (wat resulteert in grotere staalliggers) minimaliseert. Of u kiest voor een gebalanceerde benadering.
• U kunt de liggerhoogte beperken. Dit is handig als de vloerhoogte beperkt is.
• U kunt een maximale zeegwaarde definiëren om problemen met de bruikbaarheidsgrenstoestand tegen te gaan.
• Splits eerder gegroepeerde elementen op basis van hun utilisatieniveaus (zodat deze apart kunnen worden geoptimaliseerd).
• SCIA Engineer bepaalt de afschuifverbinding tussen de liggers en de plaat op basis van een ideale deuvellay-out (die wordt gebruikt in de controles en wordt gerapporteerd in de uitvoer) en gebruikt deze lay-out in de aansluitende analyse.
• U kunt elementgroepen samenvoegen die naar dezelfde ontwerpoplossing convergeren.
• U kunt aangeven dat de procedure moet overschakelen naar twee deuvels per rij als een hogere afschuifverbinding nodig is.
• Voor primaire liggers kunt u zowel een uniforme als een gesegmenteerde deuvellay-out gebruiken.

AutoDesign kan alleen voor warmgewalste I-profielen uit de Profielbibliotheek worden gebruikt (door de gebruiker gedefinieerde uitbreidingen worden ondersteund). Gelaste plaatprofielen worden alleen gecontroleerd. Wel worden deuvel- en zeegontwerp voor gelaste profielen uitgevoerd.

Ontwerp van structurele brandwerendheid volgens EN 1994-1-2

 

Uitgebreide brandveiligheidstoetsingen worden uitgevoerd volgens EN 1993-1-2 en EN 1994-1-2 voor zowel de bouwfase als de eindfase.

• De geanticipeerde duur van de brand, bescherming tegen brand en blootstelling aan brand worden per staalbetonligger gedefinieerd.
• De ontwikkeling van de luchttemperatuur na verloop van tijd wordt berekend volgens ISO 834.
• De temperatuurontwikkeling in de staal- en betondelen wordt bepaald door de staalligger te splitsen in een lijf en flenzen en door de betonplaat in de door warmte beïnvloede zones te splitsen in lagen van 10 mm.
• De buig- en afschuifcapaciteit van de liggers wordt bepaald op basis van de berekende temperatuur en de warmteafhankelijke materiaaleigenschappen. Bezwijken door afschuiving in langsrichting en verbrijzelen van de betonplaat worden op vergelijkbare wijze uitgevoerd voor de eindfase.

Normgebaseerd ontwerp volgens AISC 360

Het ontwerp van staalbetonliggers wordt uitgevoerd volgens de norm AISC 360-16 en heeft de volgende kenmerken:

• Er worden controles uitgevoerd voor de sterkte en de bruikbaarheidsgrenstoestand voor zowel de bouwfase als de eindfase. Voor controles van de sterkte wordt zowel de LFRD-methode (ontwerp van belastings- en weerstandsfactor) als de ASD-methode (ontwerp van toegestane sterkte) ondersteund.
• Via de effectieve breedte wordt rekening gehouden met de bijdrage van betonplaten aan de weerstand van staalliggers in de eindfase.
• De positieve en negatieve buigsterkte wordt geëvalueerd volgens AISC 360-16, hoofdstuk I2.
• Afschuifsterkte (met inbegrip van plooien door afschuiving) wordt geëvalueerd volgens AISC 360-16, hoofdstuk I4 en G2.
• De sterkte van schuifconnectoren wordt geëvalueerd volgens AISC 360-16 hoofdstuk I3b en I8.
• Er wordt rekening gehouden met detailleringsregels (met betrekking tot de betonplaat, het staaldek en de afschuifdeuvels) volgens AISC 360-16 hoofdstuk I.
• Primaire en secundaire liggers worden herkend en verschillend behandeld voor bijvoorbeeld het bepalen van de deuvelindeling.
• Afschuifdeuvels worden ontworpen op basis van sterkteoverwegingen en detaillering. U kunt de deuvelafstand ook handmatig invoeren en dit toetsen. Aanvullende controles van de deuvelplaatsing worden uitgevoerd wanneer aanzienlijke puntkrachten op de ligger aanwezig zijn.
• De zeeg kan worden ontworpen of ingesteld (als een absolute waarde of als een relatieve waarde ten opzichte van de overspanningslengte).
• U kunt een opening in het lijf van de staalligger definiëren. In dat geval worden extra controles uitgevoerd volgens AISC Design Guide #2: Steel and Composite beams with web openings. Er wordt ondersteuning geboden voor cirkelvormige en rechthoekige gewapende en niet-gewapende openingen.
• Het resultaat van de controle kan op de liggers in het 3D-beeld worden getekend en in de Tabelresultaten worden weergegeven. Indicatoren van fouten, waarschuwingen en notities en ontwerpsamenvattingen worden direct op de liggers in het 3D-beeld getekend.
• De uitgevoerde toetsingen worden in drie uitvoerniveaus weergegeven, zodat u het eindrapport op verschillende schalen kunt weergeven. U selecteert de passende uitvoervariant op basis van de specifieke eisen. De Beknopte uitvoer geeft een samenvatting van het ontwerp in één tabelrij, en de Gedetailleerde uitvoer levert een beschrijving van de berekening met de gerenderde formules en tussenliggende berekeningsstappen.

Automatisch ontwerp

De procedure AutoDesign doorloopt alle controles van uiterste grenstoestand en bruikbaarheidsgrenstoestand en detailleringsvoorwaarden in de bouw- en eindfasen. Vervolgens worden passende doorsneden, deuvellay-outs en zeegwaarden voorgesteld die aan alle eisen van de ontwerpnorm voldoen. Dit geldt ook bij lijfopeningen op liggers. Dit levert een oplossing op die economisch en veilig is. In één stap wordt voldaan aan de grenstoestanden en de detaillering.

U kunt de optimalisatie op de volgende manieren beheren:

• U selecteert een "optimalisatiestrategie", die ofwel de grootte van staalliggers (waardoor meer deuvels worden gebruikt) ofwel het aantal deuvels (wat resulteert in grotere staalliggers) minimaliseert. Of u kiest voor een gebalanceerde benadering.
• U kunt de liggerhoogte beperken. Dit is handig als de vloerhoogte beperkt is.
• U kunt een maximale zeegwaarde definiëren om problemen met de bruikbaarheidsgrenstoestand tegen te gaan.
• Splits eerder gegroepeerde elementen op basis van hun utilisatieniveaus (zodat deze apart kunnen worden geoptimaliseerd).
• U kunt elementgroepen samenvoegen die naar dezelfde ontwerpoplossing convergeren.
• U kunt aangeven dat de procedure moet overschakelen naar twee deuvels per rij als een hogere afschuifverbinding nodig is.
• Voor primaire liggers kunt u zowel een uniforme als een gesegmenteerde deuvellay-out gebruiken.

AutoDesign kan alleen voor warmgewalste W-vormen met brede flenzen worden gebruikt.

Vloertrillingscontroles

Vloertrillingscontroles kunnen los van de bovenstaande toetsingen worden uitgevoerd op staalbetonliggers, volgens de methodes van de 2016 AISC Design Guide 11: Floor Vibrations Due to Human Activity.

Met deze functionaliteit kunt u omgaan met een bruikbaarheidsgrenstoestand die vaak bepalend is bij het ontwerp van staalbetonvloeren: door het lage gewicht van een structureel systeem van een staalbetonvloer kunnen vloertrillingen, indien er geen rekening mee wordt gehouden, het welzijn van de gebruikers aantasten.

• Er is een snelle en afdoende nauwkeurige toetsing voor vloertrillingen als gevolg van lopen beschikbaar, gebaseerd op gangbare ontwerpmethodes uit de Verenigde Staten.
• De dynamische reactie van de vloer wordt voorspeld op basis van de volledige betonwerking tussen liggers en plaat en een verhoogde modulus van Young van beton. Er wordt rekening gehouden met de interactie tussen primaire en secundaire staalbetonliggers.
• De versnellingsniveaus worden vergeleken met de tolerantieniveaus voor menselijk welzijn, waarbij rekening wordt gehouden met de functie van de vloer.
• Deze toetsingen volgen een controlealgoritme en vereisen geen modale analyse. Hierdoor wordt de trillingscontrole eenvoudiger en wordt deze een stuk sneller uitgevoerd, en is het resultaat een goede schatting van de daadwerkelijke reactie van de vloer.

---

Vereiste modules:

• sen.01