Bereikt u de grenzen van EN 1992-4 en kunt u geen oplossing vinden voor uw situatie? Profiteer van uitgebreide interne en externe onderzoeksresultaten en van de integratie van bestaande ontwerpbenaderingen in Hilti PROFIS Engineering

De basis voor het ontwerp van ankers in Europa is de ontwerpmethode gegeven in EN 1992-4. Er zijn echter veel gevallen waarin strikte naleving van deze norm niet voldoende is om oplossingen te vinden. Om deze reden biedt Hilti, naast de ontwerpeisen van EN 1992-4, al jaren een ontwerpbenadering op basis van de zogenaamde "SOFA-methode"  (SOFA staat voor "Solution for Fasteners"). SOFA is ontwikkeld om de toepassingsvoorwaarden van de huidige regelgeving uit te breiden en betrouwbare berekeningen mogelijk te maken. SOFA baseert zich daarbij op uitgebreide interne en externe onderzoeksresultaten  en  op de integratie van bestaande ontwerpbenaderingen zoals de fib bulletin-benadering. Omdat de ontwikkeling van regelgeving als een langdurig proces kan worden gezien, is de implementatie van de nieuwste onderzoeksresultaten en bevindingen noodzakelijk en wordt weerspiegeld in de SOFA-filosofie. De Hilti SOFA-methode komt dus overeen met de stand van de techniek en de huidige stand van wetenschap en technologie. Daarnaast omvat de SOFA-methode onder andere: Ontwerpbenaderingen die in acht moeten worden genomen en nageleefd om gevaren uit te sluiten die in de relevante beroepskringen bekend en als correct worden erkend (zie fib-bulletin). De SOFA-methode is echter geen nieuw, onafhankelijk ontwerpconcept, maar een uitbreiding van het toepassingsgebied van  EC2 Part 4. Hier is een eenvoudig voorbeeld:

Voor zowel statische als dynamische (seismische en vermoeiende) belasting bestrijkt EN 1992-4 slechts een beperkt aantal ankersamenstellingen zoals weergegeven in figuur 1 en is beperkt tot een maximale rechthoekige opstelling van drie bij drie als deze niet wordt begrensd door een betonnen rand. Andere vormen (bv. cirkelvormige of vrije opstelling van de ankers in de ankerplaat) vallen niet onder het toepassingsgebied van EN 1992-4.

a)    Bevestigingsmiddelen zonder gatspeling voor alle randafstanden en voor alle belastingsrichtingen en bevestigingen met gatspeling volgens tabel 6.1 (EN1992-4) ver van de rand voor alle belastingsrichtingen en uitsluitend trekbevestigingen met gatspeling volgens tabel 6.1 (EN1992-4) dicht bij de rand  

b)    Bevestigingen met gatspeling volgens tabel 6.1 (EN1992-4) dicht bij de rand voor alle belastingsrichtingen

Figuur 1 - Ankerconfiguraties behandeld in EN 1992-4 (Figuur 1.2 uit EN 1992-4)  

Ontwerpbenadering van fib bulletin 58

We zien nu al dat een ontwerp van bevestigingspunten, dat uitsluitend binnen het toepassingsgebied van EN 1992-4 valt, in de praktijk nauwelijks haalbaar is vanwege de ankeropstelling. Eurocode 2-4 dekt echter geen andere voorwaarden, die we hieronder in meer detail zullen bespreken.

Bevestigingsmiddelen bestaande uit meer dan één anker worden vaak in de buurt van de rand van een betonnen component geplaatst, zoals de rechthoekige ankergroep met 4 ankers in figuur 2. Als gevolg van de invloed van een betonnen rand is het beslissende type falen onder schuifkracht meestal de betonrandbreuk als gevolg van de ontwikkeling van een semi-conisch breukoppervlak in het beton, dat begint bij het steunpunt en uitstraalt naar het vrije oppervlak. Afhankelijk van verschillende parameters (randafstand, hartafstand van de ankers, componentdikte en doorgaand gat in de basisplaat) kan de uitbraak afkomstig zijn van de voor- of achterankers (zie figuur 2).

Figuur 2 - Illustratie van het falen van de betonnen rand in een ankergroep met 4 ankers geplaatst in de buurt van een betonnen rand

EN 1992-4 biedt een vereenvoudigde benadering voor de beoordeling van de weerstand tegen betonrandbreuk van ankergroepen (vergelijking 1). Dienovereenkomstig moet tijdens het ontwerp worden aangetoond dat de waarde van de nominale schuifkracht VSd de waarde van de nominale weerstand VRd (c1.1) niet overschrijdt. Aangenomen wordt dat de volledige schuifkracht die op het aanbouwdeel inwerkt alleen door de voorste ankers wordt geabsorbeerd, wat vaak leidt tot een conservatieve berekening van debetonrandweerstand.

VEd ≤ VRd,c1,1                                               (vergelijking 1, zie EN1992-4 tabel 7.2)

Een andere, meer realistische benadering is om aan te nemen dat de achterankers ook betrokken zijn bij het absorberen van de schuifkracht, wat de betonrandweerstand verder verhoogt en de belastingen op de voorankers vermindert. Deze aanpak is opgenomen in fib-bulletin 58 (ontwerp van verankeringen in beton) en vormt de basis voor de implementatie van de SOFA-methode in PROFIS Engineering. Om de ontwerpmethode van de fib-richtlijn te kunnen toepassen, moeten alle ankers tegelijkertijd worden geactiveerd. Dit vereist het afdichten van de ringvormige opening tussen het anker en de ankerplaat tijdens de installatie, wat onder andere kan worden gedaan met de Hilti-opvulset.

De Fib-benadering wordt hieronder uitgelegd (zoals weergegeven in figuur 3) voor een groep van vier ankers. Als alle ankers dwarskrachten absorberen, kan de betonrandbreuk  als volgt optreden:

• Bezwijken van de voorste rij ankers als de helft van de schuifkracht op de voetplaat groter is dan de gecombineerde weerstand van de voorste rij ankers (fig. 3a)
• De hele groep ankers kan uitvallen als gevolg van de achterste rij ankers als de totale schuifkracht de weerstand van de achterste rij ankers overschrijdt (fig. 3b)

Voor het bewijs tegen staalfalen wordt de staalweerstand van een enkel anker vermenigvuldigd met het aantal ankers (n = 4 in het afgebeelde geval). Het bewijs van betonrandfalen volgens fib-folder 58 is daarom als volgt:

VSd ≤ min (2VRd (c1.1); VRd (c1,2))                     (vergelijking 2, cf. FIB Bulletin 48

a) S/C 11.1 groot b) S/C 11.1 klein

Figuur 3 - Voorbeeld van een groep ankers zonder gatspeling, die  op schuifkracht tot aan de rand worden belast (Afbeelding 10.2.-9, fib-Bulletin 58)

De benadering in vergelijking 2 en weergegeven in figuur 3 wordt vaak de "schuifkrachtverdelingsbenadering" genoemd, omdat alle ankers betrokken zijn bij de overdracht van de toegepaste belasting in het substraat. Deze aanpak wordt geïmplementeerd in Hilti PROFIS Engineering onder de SOFA-methode en levert minder conservatieve resultaten op dan conventioneel ontwerp volgens EN 1992-4.

Verdeling van schuifkrachten

In het vorige deel werd de fib-benadering voor de schuifkrachtverdeling op de achterste rij ankers uitgelegd om de weerstand tegen betonrandbreuk ten opzichte van een groep van vier ankers te verbeteren. SOFA meet niet alleen rechthoekige lay-outs tot 3x3, maar ook onregelmatige opstellingen, bijvoorbeeld rond of driehoekig. In het volgende deel zullen we nader bekijken hoe het geheel wordt gemeten.

Rechthoekig ankerontwerp tot 3x3  

Zoals reeds uitgelegd, gaat de ontwerpbenadering van EN 1992-4 ervan uit dat schuifkrachten alleen worden geabsorbeerd via de voorste rij ankers bij het evalueren van de weerstand tegen betonrandbreuk, wat leidt tot conservatieve resultaten. SOFA volgt de ontwerpbenaderingen van fib bulletin 58, die een schuifkrachtverdeling naar andere rijen ankers mogelijk maken. Wanneer in Hilti PROFIS Engineering de SOFA-methode is geselecteerd, wordt het schuifkrachtverdelingsmodel toegepast zoals weergegeven in figuur 4 en wordt elk geval afzonderlijk gecontroleerd. Bij het ontwerpen van bevestigingen in een dunne ondergrond kan betonrandfalen optreden in de achterste rij, dus het is belangrijk dat voor elke rij betonrandbreuk wordt gecontroleerd. Ten slotte genereert PROFIS Engineering een rapport met de ontwerpresultaten van de meest kritische rij.

Figuur 4 -  SOFA-schuifkrachtverdeling voor ankeropstellingen tot 3x3 (Afb. FIB Bulletin 58)

Rechthoekige ankeropstellingen voorbij 3x3  

Een verdeling van de dwarskrachten is niet toegestaan als er meer dan 3 rijen ankers in de ankerplaat zitten. Dit komt door het feit dat er niet kan worden uitgegaan van voldoende stijfheid van de bodemplaat, zodat de schuifkracht overeenkomstig volledig wordt uitgeoefend op de voorste rij ankers volgens EC2-4 (fig. 5). Om deze reden biedt SOFA, met dezelfde randafstand en ondergrondparameters, een lagere weerstand tegen betonrandbreuk met een 4x2-opstelling dan met een 3x2-opstelling. Hogere bezettingsgraden met een hoger aantal rijen kunnen de indruk wekken dat het ontwerp niet in orde is, maar dit komt door de verschillende evaluaties van de schuifkrachtverdeling.

Figuur 5 - Dwarslastverdeling met 4x2 ankeropstelling

Andere ankeropstellingen (onregelmatig, cirkelvormig, driehoekig)  

In het geval van rechthoekige lay-outs is het gemakkelijk om het vlak van de schuifkrachtverdeling te bepalen, omdat de belastingen op de voorste of achterste rijen worden uitgeoefend. Bij het ontwerpen met willekeurige configuraties (onregelmatig, cirkelvormig, driehoekig, enz.) wordt de bepaling van de schuifkrachtoverdracht aan de rand echter steeds complexer. In deze configuraties worden de ankers die bijdragen aan de weerstand tegen betonrandbreuk geëvalueerd met behulp van de "bandbreedtebenadering". 

Deze aanpak, gebaseerd op intern en extern onderzoek, is altijd nuttig wanneer twee of meer bevestigingsmiddelen zich bijna in dezelfde rij bevinden (bijvoorbeeld in het geval van kleine afwijkingen ten opzichte van de afstand tussen de ankers). Hier worden ankers met kleine afwijkingen in termen van afstand beschouwd in hetzelfde spanningsvlak als het anker dat zich het dichtst bij de rand bevindt en vormen dus een kunstmatige rij ankers. Er wordt dus niet alleen rekening gehouden met het anker dat zich het dichtst bij de rand bevindt, maar met alle ankers die zich binnen een bepaalde "bandbreedte" bevinden.

In de volgende figuur 6a bevindt een ander anker zich in het gebied van de bandbreedte dat wordt gemarkeerd door een rood vak en maakt zo de overdracht van dwarskrachten mogelijk naar een groter gebied gemarkeerd door de blauwe lijnen. In het tweede scenario in figuur 6b is de afstand tussen de ankers te groot, zodat het tweede anker niet binnen de bandbreedte valt en deze twee ankers niet als één rij ankers kunnen worden beschouwd. Als gevolg hiervan moet de volledige schuifkracht worden overgedragen via de individuele bevestiging dicht bij de rand.

Figuur 6(a) - tweede anker dat in de band valt Figuur 6(b) - het tweede anker valt niet in de tape

Samenvatting

In dit artikel hebben we de details van de ontwerpvoordelen met SOFA, die profiteren van uitgebreide interne en externe onderzoeksresultaten, evenals de integratie van bestaande ontwerpbenaderingen in de ontwerpsoftware Hilti PROFIS Engineering. Samengevat:

·      SOFA biedt ontwerpbenaderingen analoog aan EN 1992-4 voor ankeropstellingen die verder gaan dan 3x3

·      SOFA maakt een hogere weerstand tegen betonrandbreuk mogelijk door de dwarsbelasting over te brengen naar de achterste ankers volgens fib bulletin 58

·      SOFA maakt een hogere weerstand tegen betonrandbreuk mogelijk door een fictieve rij ankers te vormen via een "bandbreedtebenadering" in het geval van onregelmatige ankeropstellingen

Bent u nieuwsgierig? Log dan nu in op de gratis ontwerpsoftware PROFIS Engineering en probeer de SOFA methode.