Section 2.pdf

# Inleiding tot staalconstructies en Eurocode 3 Dit document introduceert de basisprincipes van staalconstructies en de toepassing van Eurocode 3, inclusief de classificatie van staalprofielen [3](#page=3) [52](#page=52). ### 1.1 Algemene uitleg over staalconstructies Staalconstructies zijn een belangrijk onderwerp binnen de bouw. Een algemene uitleg hierover wordt gegeven, wat de basis vormt voor het begrip van staal als constructiemateriaal [3](#page=3) [52](#page=52). ### 1.2 Introductie tot Eurocode 3 Eurocode 3 is de Europese norm voor het ontwerp van staalconstructies. De norm is opgedeeld in meerdere delen, met Eurocode 3 Part 1 als een van de algemene delen [11](#page=11) [3](#page=3) [52](#page=52). #### 1.2.1 Inhoud van Eurocode 3 Part 1 (Algemeen) Eurocode 3 Part 1 (Algemeen) omvat diverse hoofdstukken die cruciaal zijn voor het ontwerp van staalconstructies. Deze hoofdstukken omvatten [12](#page=12): * Hoofdstuk 1: Algemeen [12](#page=12). * Hoofdstuk 2: Grondslagen van het ontwerp [12](#page=12). * Hoofdstuk 3: Materialen [12](#page=12). * Hoofdstuk 4: Duurzaamheid [12](#page=12). * Hoofdstuk 5: Structurele analyse [12](#page=12). * Hoofdstuk 6: Uiterste grenstoestand [12](#page=12). * Hoofdstuk 7: Bruikbaarheidsgrenstoestand [12](#page=12). Daarnaast bevat de norm verschillende annexen die aanvullende of informatieve ontwerpbepalingen bieden, zoals annexen met methoden voor interactiefactoren en annexen over knik van bouwcomponenten [12](#page=12). ### 1.3 Classificatie van staalprofielen De classificatie van staalprofielen is een essentieel onderdeel van het ontwerp van staalconstructies. Dit deel van de studie behandelt de algemene aspecten van staalprofielen. De belangrijkste afmetingen van een doorsnede die worden gebruikt bij de classificatie zijn [13](#page=13) [3](#page=3) [52](#page=52): * $b$: breedte van een doorsnede [14](#page=14). * $h$: hoogte van een doorsnede [14](#page=14). * $d$: diepte van het rechte deel van een plaat [14](#page=14). * $t_w$: plaatdikte (web thickness) [14](#page=14). * $t_f$: flensdikte (flange thickness) [14](#page=14). * $r_1$: radius van de wortelfilet [14](#page=14). * $r_2$: teenradius (toe radius) [14](#page=14). > **Tip:** Het begrijpen van deze afmetingen is cruciaal voor het bepalen van de stabiliteit en sterkte van staalprofielen volgens Eurocode 3. ### 1.4 Voorbeeld en Q&A Het document geeft aan dat er een voorbeeld en een vraag-en-antwoordsessie zal volgen om de besproken concepten te verduidelijken. Deze secties zijn bedoeld om de toepassing van de theorie in de praktijk te demonstreren en eventuele onduidelijkheden weg te nemen [3](#page=3). --- # Materiaaleigenschappen en duurzaamheid van staal Dit onderwerp behandelt de fundamentele materiaaleigenschappen van staal die cruciaal zijn voor constructief ontwerp, evenals de vereisten voor de duurzaamheid van stalen constructies. ### 2.1 Belangrijkste materiaaleigenschappen van staal De belangrijkste materiaaleigenschappen van staal die relevant zijn voor constructieve toepassingen zijn vloeigrens, ultieme sterkte, ductiliteit en taaiheid [17](#page=17). #### 2.1.1 Vloeigrens en ultieme sterkte * **Vloeigrens ($f_y$)**: De spanning waarbij permanente deformatie optreedt [17](#page=17). * **Ultieme sterkte ($f_u$)**: De maximale spanning die het materiaal kan weerstaan voordat het breekt, zoals weergegeven in de spanning-rekcurve [17](#page=17). #### 2.1.2 Ductiliteit Ductiliteit beschrijft de hoeveelheid plastische deformatie die een materiaal kan ondergaan vóórdat het bezwijkt. Voor staalsoorten zijn er minimale ductiliteitseisen die op drie manieren kunnen worden uitgedrukt [18](#page=18): * De verhouding tussen de ultieme sterkte en de vloeigrens: $\frac{f_u}{f_y}$ * De verlenging bij bezwijken, gemeten over een standaard meetlengte van $5.65 \sqrt{A_0}$, waarbij $A_0$ de oorspronkelijke dwarsdoorsnede is. * De ultieme rek ($\epsilon_u$) en de vloeirek ($\epsilon_y$) verhouding: $\epsilon_u > 15 \epsilon_y$ Er geldt een limiet dat de verhouding $\frac{f_u}{f_y}$ groter moet zijn dan $1.10$, en de verlenging bij bezwijken niet minder mag zijn dan $15\%$ [18](#page=18). De ductiliteit wordt beïnvloed door factoren zoals temperatuur, de snelheid van de belasting en de dikte van het materiaal [18](#page=18). > **Tip:** Een hogere ductiliteit betekent dat het materiaal meer kan vervormen voordat het breekt, wat essentieel is voor het absorberen van energie tijdens aardbevingen of impactbelastingen. #### 2.1.3 Taaiheid Taaiheid verwijst naar de weerstand van een materiaal tegen bros bezwijken. Het is cruciaal dat staal voldoende breuktaaiheid bezit om bros bezwijken te voorkomen, zelfs bij de laagste gebruikstemperaturen gedurende de ontworpen levensduur van de constructie [19](#page=19). #### 2.1.4 Impacttestwaarde Een impacttest wordt gebruikt om de slagweerstand of taaiheid van materialen te bepalen, gebaseerd op de energie die wordt geabsorbeerd tijdens het breken van een monster. Deze tests worden bij verschillende temperaturen uitgevoerd om de invloed van temperatuur op de geabsorbeerde energie in kaart te brengen [20](#page=20). > **Example:** De Charpy V-notch test is een veelgebruikte impacttest om de taaiheid van staal te meten. ### 2.2 Ontwerptoegepaste materiaaleigenschappen Voor de berekeningen moeten de juiste staalcoëfficiënten worden gehanteerd [21](#page=21). ### 2.3 Duurzaamheid van stalen constructies De basisvereisten voor duurzaamheid zijn vastgelegd in EN 1990. De uitvoering van beschermende behandelingen, zowel off-site als on-site, moet in overeenstemming zijn met EN 1090 [22](#page=22). Voor onderdelen die gevoelig zijn voor corrosie, mechanische slijtage of vermoeidheid, moeten de ontwerpen zodanig zijn dat inspectie, onderhoud en reconstructie op bevredigende wijze kunnen worden uitgevoerd. Er moet ook toegang beschikbaar zijn voor inspectie en onderhoud tijdens de gebruiksduur van de constructie [22](#page=22). In gevallen waarin er geen effecten van een vervormde geometrie (zoals tweede-orde effecten) hoeven te worden beschouwd, kan een rigide plastische analyse worden toegepast. De effecten van de vervormde geometrie van de structuur en de structurele stabiliteit van het frame moeten echter worden geverifieerd volgens de principes in de sectie structurele analyse [22](#page=22). > **Tip:** Duurzaamheid is niet alleen een materiaalkwestie, maar ook een ontwerpopgave die gericht is op het minimaliseren van degradatie en het faciliteren van onderhoud gedurende de levensduur van de constructie. --- # Structurele analyse en belastingen Structurele analyse is cruciaal voor het bepalen van interne krachten en het beoordelen van de stabiliteit en weerstand van constructies, waarbij rekening wordt gehouden met zowel eerste- als tweede-orde effecten en de invloed van imperfecties volgens de Eurocodes [23](#page=23) [28](#page=28). ### 3.1 Principes van structurele analyse De structurele analyse vormt de sleutel tot het ontwerp van constructies, waarbij het de algehele stabiliteit, de weerstand van de elementen, de weerstand van de doorsneden en de weerstand van verbindingen en opleggingen omvat [23](#page=23). #### 3.1.1 Bepaling van interne krachten De bepaling van interne krachten kan op twee manieren plaatsvinden: * **Eerste-orde analyse:** Gebruikt de initiële geometrie van de constructie [28](#page=28). * **Tweede-orde analyse:** Houdt rekening met de invloed van de vervorming van de constructie op het gedrag ervan. Een tweede-orde analyse is noodzakelijk wanneer de vervormingen het structurele gedrag significant beïnvloeden. Als de eerste-orde analyse voldoet, moet de bezwijkingsmodus bij zijdelingse uitslag worden gecontroleerd [28](#page=28). #### 3.1.2 Tweede-orde effecten Tweede-orde effecten omvatten twee hoofdcategorieën: * **Effect P-Δ:** De zijdelingse verplaatsing van de verdiepingen kan leiden tot instabiliteit [29](#page=29). * **Effect P-δ:** De dwarsafbuiging van kolommen kan lokale instabiliteit veroorzaken, wat met name van belang is voor relatief slanke elementen [29](#page=29). #### 3.1.3 Imperfecties Imperfecties zijn onvermijdelijke afwijkingen van de ideale geometrie en hebben invloed op de stabiliteit van constructies. Ze kunnen worden onderverdeeld in [30](#page=30): * **Globale imperfecties:** Voor frames en versterkingssystemen. Deze globale imperfectie kan worden vervangen door een equivalent systeem van horizontale krachten die op elk niveau van de constructie worden toegepast [30](#page=30). * **Lokale imperfecties:** Voor individuele leden. Lokale imperfecties kunnen eveneens worden vervangen door een equivalent systeem voor de elementen [30](#page=30). De imperfecties worden afgeleid van elastische knik. Dit omvat torsieknik met symmetrische en asymmetrische vormen, evenals knik in een uitslagmodus [31](#page=31). > **Tip:** Globale imperfecties van de constructie mogen niet worden verwaarloosd als de verhouding tussen de totale ontwerp horizontale belasting ($H_{Ed}$) en de totale ontwerp verticale belasting ($V_{Ed}$) groter of gelijk is aan 150. De relatie is [31](#page=31): > $$ \frac{H_{Ed}}{V_{Ed}} \ge 150 $$ ### 3.2 Methoden voor structurele analyse Bij de analyse van constructies moeten de effecten van interne krachten en momenten op het spanning-rekgedrag van het materiaal worden gecontroleerd. Verschillende analyseniveaus zijn beschikbaar [32](#page=32): * **Elastische analyse van 1e orde:** * Het evenwicht wordt uitgedrukt voor de niet-vervormde geometrie [33](#page=33). * Lineair-elastisch materiaalgedrag van de doorsnede (element) en verbindingen wordt aangenomen [33](#page=33). * **Elastische analyse van 2e orde:** * Het lineair-elastische antwoord is onbepaald voor doorsneden en verbindingen [33](#page=33). * Het evenwicht wordt ingesteld voor een vervormde geometrie van de constructie [33](#page=33). * Interne krachten en momenten mogen worden berekend volgens een elastische globale analyse, zelfs als de weerstand van een doorsnede gebaseerd is op de plastische weerstand [33](#page=33). * **Plastische analyse van 1e orde:** * Bezwijken treedt op door de vorming van plastische vervorming in de constructie [34](#page=34). * **Plastische analyse van 2e orde:** * De belasting wordt stapsgewijs toegepast. De stabiliteit van de constructie neemt af naarmate er plastische vervorming in de constructie ontstaat [34](#page=34). De Eurocodes bieden richtlijnen voor het verband tussen de verschillende Eurocodes, met betrekking tot structurele veiligheid, bruikbaarheid, duurzaamheid, belastingen op constructies, ontwerp en detaillering, en geotechnisch en seismisch ontwerp [9](#page=9). > **Tip:** De keuze voor het type analyse (elastisch of plastisch, 1e of 2e orde) hangt af van de vereiste nauwkeurigheid en de aard van de constructie en de verwachte belastingen. Voor veel staalconstructies is een 2e-orde analyse met inachtneming van imperfecties vereist om een betrouwbaar ontwerp te garanderen [28](#page=28) [30](#page=30). --- # Classificatie van staalprofielen en ontwerp stappen Dit document beschrijft de classificatie van staalprofielen in klassen 1 tot 4, gebaseerd op hun weerstand en rotatiecapaciteit, en de stappen die gevolgd moeten worden voor het ontwerpen van deze profielen. ### 4.1 Classificatie van staalprofielen De classificatie van staalprofielen is essentieel om te bepalen in hoeverre de weerstand en rotatiecapaciteit van een profiel beperkt worden door lokale instorting. Deze classificatie beïnvloedt of elastische of plastische analyses gebruikt kunnen worden [35](#page=35) [37](#page=37). #### 4.1.1 Klassen van staalprofielen Er worden vier klassen onderscheiden: * **Klasse 1:** Profielen van klasse 1 kunnen een plastische scharnier vormen met de benodigde rotatiecapaciteit voor een plastische analyse, zonder reductie van de weerstand. Dit betekent dat de weerstand gelijk is aan het plastische moment ($M_{pl}$) en de rotatiecapaciteit groter is dan die van een plastisch scharnier ($\phi > \phi_{pl}$). Deze profielen zijn geschikt voor plastisch ontwerp [37](#page=37) [38](#page=38). * **Klasse 2:** Profielen van klasse 2 kunnen hun plastische momentweerstand ontwikkelen, maar hebben een beperkte rotatiecapaciteit als gevolg van lokale instorting. Hoewel ze het plastische moment ($M_{pl}$) bereiken, is de rotatiecapaciteit lager dan die van klasse 1 ($\phi < \phi_{pl}$). Ze kunnen het plastische moment ontwikkelen, maar met beperkingen [37](#page=37) [38](#page=38). * **Klasse 3:** Bij profielen van klasse 3 kan de spanning in de meest gecomprimeerde vezel de vloeigrens bereiken, uitgaande van een elastische spanningsverdeling. Lokale instorting kan echter voorkomen voordat het plastische moment ontwikkeld kan worden. De weerstand is beperkt tot het elastische moment ($M_{el}$). Deze profielen bereiken het plastische moment niet en zijn beperkt tot het elastische vloeimoment [37](#page=37) [38](#page=38). * **Klasse 4:** Bij profielen van klasse 4 treedt lokale instorting op voordat de vloeigrens wordt bereikt in een of meerdere delen van de doorsnede. De weerstand is hierbij gelijk aan het elastische moment ($M_{el}$), maar er wordt gewerkt met een effectieve doorsnedekarakteristiek ($A_{eff}$, $W_{eff}$). Deze profielen ervaren lokale instorting in het elastische bereik [37](#page=37) [38](#page=38). De limieten tussen de klassen zijn afhankelijk van de rek ($ \varepsilon $) en de vloeisterkte ($F_y$) [39](#page=39). > **Tip:** De doorsneden worden geclassificeerd op basis van de minst gunstige klasse die wordt bepaald voor de verschillende delen van de doorsnede (bijvoorbeeld flens in druk, legger onder buiging) [42](#page=42) [49](#page=49). #### 4.1.2 Bepalen van de klassen De classificatie van een doorsnede gebeurt door de verhouding tussen de breedte en dikte van de interne en uitwendige drukdelen te vergelijken met grenzen die afhankelijk zijn van de vloeisterkte van het staal en de rek ($ \varepsilon $). Tabel 5.2 op pagina 40 geeft de grenzen voor klasse 1 tot en met 3 voor buiging, druk en een combinatie daarvan. Klasse 4 omvat alle profielen die niet in klasse 1, 2 of 3 vallen [39](#page=39) [40](#page=40). * **Tabel 5.2:** Vergelijkt breedte en dikte voor klasse 1 tot 3, waarbij klasse 4 de rest is. Dit geldt voor interne drukdelen, uitstekende flenzen en hoekprofielen [40](#page=40). #### 4.1.3 Hoe een doorsnede adequaat is Adequaatheid kan worden beoordeeld op basis van de spanningen in trek- en drukzones en de buigmomentcapaciteit [41](#page=41) [42](#page=42). ### 4.2 Ontwerp stappen voor staalprofielen De volgende stappen worden doorlopen voor het ontwerpen van staalprofielen: 1. **Bepaling van de vloeisterkte ($F_y$)**: Deze wordt verkregen uit relevante tabellen (bijv. Tabel 3.1) [43](#page=43). 2. **Bepaling van $ \varepsilon $**: De parameter $ \varepsilon $ wordt bepaald uit tabellen, zoals Tabel 5.2 [43](#page=43). 3. **Invullen van $ \varepsilon $ in de klasselimieten**: De verkregen $ \varepsilon $-waarde wordt gebruikt om de klassen van de legger en flens te bepalen aan de hand van de limieten in Tabel 5.2 [43](#page=43). 4. **Bepaling van de algehele doorsnedeklasse**: De minst gunstige klasse die wordt verkregen uit de analyse van de flens uitstoot, legger onder buiging, en legger onder druk, bepaalt de algehele klasse van de doorsnede [43](#page=43). > **Tip:** De uiteindelijke klasse van de doorsnede is de hoogste klasse (numeriek) tussen de klasse van de flens en de klasse van de legger. Indien de doorsnede klasse 1 is, dient het ontwerp gebaseerd te worden op de plastische weerstand van de doorsnede [49](#page=49). #### 4.2.1 Voorbeeld 1: Classificatie van een staalprofiel Een voorbeeld illustreert de classificatieprocedure, waarbij de legger onder buiging en de flens onder druk worden geanalyseerd. De oplossing omvat de berekening van de klasse voor de legger en de flens, en het bepalen van de meest ongunstige klasse [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47) [48](#page=48). #### 4.2.2 Voorbeeld 2: Classificatie van een staalprofiel Een tweede voorbeeld is voorzien voor oefening, waarbij de legger onder buiging en de flens onder druk worden geanalyseerd [51](#page=51). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Eurocode 3 | Een reeks Europese normen voor het ontwerp van staalconstructies, die richtlijnen biedt voor veiligheid, stabiliteit en duurzaamheid. | | Vloeisterkte | De spanning waarbij een materiaal permanent begint te vervormen zonder toenemende belasting. | | Ultieme sterkte | De maximale spanning die een materiaal kan weerstaan voordat het breekt, zoals weergegeven in de spanning-rekcurve. | | Ductiliteit | Het vermogen van een materiaal om aanzienlijke plastische vervorming te ondergaan voordat het breekt, wat cruciaal is voor het absorberen van energie. | | Taaiheid | Het vermogen van een materiaal om energie te absorberen en weerstand te bieden aan breuk, vooral onder impactbelastingen. | | Knik (Buckling) | Een instabiliteitsfenomeen waarbij een constructie-element plotseling bezwijkt onder een axiale drukbelasting, zelfs als de spanning onder de vloeigrens ligt. | | Plastic Hinge (Plastische scharnier) | Een sectie van een constructie-element die plastische vervorming heeft ondergaan, waardoor deze als een scharnier kan roteren zonder verdere toename van de sterkte. | | Elastische Analyse | Een analyse waarbij wordt aangenomen dat het materiaal zich lineair elastisch gedraagt, wat betekent dat de vervorming evenredig is met de belasting en omkeerbaar is. | | Plastische Analyse | Een analyse die rekening houdt met het plastisch gedrag van materialen, waarbij plastische scharnieren worden gevormd en de uiteindelijke draagkracht van de constructie wordt bepaald. | | Classificatie van doorsneden | Het proces van het indelen van de doorsneden van staalprofielen in klassen (1 tot 4) op basis van hun weerstand tegen lokale knik en hun rotatiecapaciteit, wat invloed heeft op de ontwerpmethode. | | Lokale Knik | Knik die optreedt in specifieke delen van een doorsnede, zoals flenzen of de ligger, voordat de gehele doorsnede haar maximale sterkte bereikt. | | Tweede-orde effecten | Effecten die voortvloeien uit de geometrische vervorming van de structuur onder belasting, die de interne krachten en momenten kunnen beïnvloeden. | | Plastic Sectiemodulus ($W_{pl}$) | Een geometrische eigenschap van een doorsnede die gerelateerd is aan de plastische buigsterkte. | | Elastische Sectiemodulus ($W_{el}$) | Een geometrische eigenschap van een doorsnede die gerelateerd is aan de elastische buigsterkte. | | Slenderness Ratio (Slankheidscoëfficiënt) | Een verhouding die de relatieve lengte of breedte van een element ten opzichte van zijn dwarsdoorsnede beschrijft, vaak gebruikt bij het beoordelen van knikgedrag. |