Standaard isatie a lum niumprofie e voor

1 Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies

Standaardisatie aluminiumprofielen

voor (lichtgewicht) constructies

Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies

Aluminium Centrum

22 november 2011


Colofon:

Het project „Standaardisatie aluminiumprofielen voor licht gewicht constructies‟ is

uitgevoerd door het Aluminium Centrum en door Prof.ir F. Soetens en Ir B.W.E.M. van

Hove verbonden aan de faculteit aluminium constructies aan de technische universiteit

van Eindhoven. Het project is mede mogelijk gemaakt door de financiële steun van

Materials innovation institute (M2i) en door de participatie van de volgende bedrijven:

Sublean Nederland B.V.

Comhan Holland B.V.

Dakontwikkeling Nederland B.V.

ODS B.V.

SAPA Profiles NL B.V.

Kader:

Het Aluminium Centrum is in samenwerking met M2i een kennistransfer programma gestart om recent

ontwikkelde kennis met betrekking tot aluminium te communiceren naar de markt. Met dit programma

beoogt het Aluminium Centrum deze kennis, veelal in samenwerking met andere kennisinstellingen, te

valoriseren voor haar achterban en de markt. Het sluit aan bij de doelstelling van M2i met deze kennis

meerwaarde te creëren voor het Nederlandse bedrijfsleven. Dit project is naast enkele andere projecten

onderdeel van dit programma.

M2i is een innovatieprogramma dat nieuwe materialen ontwikkelt en toepast in de sectoren transport,

energie, consumentenproducten, professionele producten, civiele industrie en materiaalproductie. M2i

doet onderzoek naar nieuwe materialen en stelt deze kennis ter beschikking aan het MKB. M2i helpt MKB

bedrijven met het oplossen van materiaalproblemen en het beantwoorden van vragen hierover.

Het Aluminium Centrum is de koepelorganisatie voor de aluminium producerende, verwerkende en

toepassende industrie en fungeert als kennis- en informatiecentrum. De organisatie heeft tot doel het

bevorderen van de toepassing van aluminium in Nederland. Door middel van kennisoverdracht, promotie

en onderzoek streeft het Aluminium Centrum naar een toename van het aluminiumgebruik en een

versterking van de positie van aluminium in de sectoren bouw, transport, verpakkingen en overige

industriële en consumententoepassingen.


Inhoudsopgave:

Colofon 2

Inhoudsopgave 3

Voorwoord 4

1. Inleiding en leeswijzer 5

2. Samenvatting en conclusie 6

3. Projectaanpak 7

4. Behoefte en focus 8

5. Selectie en vormgeving aluminium standaardreeks 9

5.1. Verkenning stalen profielen programma 9

5.2. Selectie van profielen voor standaardisatie in aluminium 15

5.3. Hogere I-waarde ter compensatie van de lagere E-modulus 18

5.4. Verkenning oplossingsrichtingen 19

5.5. Resultaten 21

6. Constructieve beschouwing en case. zie bijlage 28

Bijlage: Rapport Standaardisatie van aluminium profielen, inclusief ontwerp en

dimensionering boutverbindingen


Voorwoord:

Geachte lezer,

Een koepelorganisatie zoals het Aluminium Centrum streeft ernaar om continue impulsen en

acties te initiëren waarmee de aangesloten bedrijven hun marktpositie kunnen versterken.

Het sleutelwoord hierbij is “collectiviteit”. Op het gebied van de constructieve toepassingen

van aluminium heeft het Aluminium Centrum een uitstekende reputatie onder andere door de

constructieve innovaties die zijn toegepast in het bekende geheel uit aluminium opgetrokken

kantoor en technologie centrum in Houten. Het is een schoolvoorbeeld van wat met

collectiviteit kan worden geconcretiseerd.

Het is me een groot genoegen u bijgaand rapport te presenteren waarbij eveneens op basis

van collectiviteit maar vanuit een geheel andere benadering een impuls wordt geboden voor

de toekomst. We wensen u veel inspiratie en succes met de verdere ontwikkeling en

toepassing ervan.

Paul Bruinsma en Jeroen van Dorp

Aluminium Centrum


1. Inleiding en leeswijzer

Momenteel wordt bij constructieve toepassingen vaak gekozen voor de toepassing van

stalen standaard profielen. De markt is gewend hiermee te werken en wordt hierbij door

de toeleverende industrie optimaal bediend en ondersteund. Het gebruik van stalen

standaardprofielen kent naast deze voordelen ook enkele nadelen zoals de lage

“intelligentiegraad” van de profielen, het benodigde onderhoud en in enkele specifieke

situaties het relatief hoge gewicht. De keuze om in aluminium te construeren zal

momenteel in deze sector pas aan de orde komen als de eis voor gewicht reductie zeer

dominant aan de orde is of in situaties waar het toepassen van specifieke klantgebonden

aluminium profielen aanzienlijke meerwaarde biedt.

Het Aluminium Centrum en enkele marktpartijen hebben deze situatie onderkend en

hebben het initiatief genomen om vanuit de aanbodzijde een zekere profielstandaardisatie te ontwikkelen.

Het is evident dat in deze markt de voordelen van aluminium niet alleen het beperkte

onderhoud, de lange levensduur en het lage gewicht betreffen maar ook de potentie om enige “intelligentie” aan deze standaard toe te voegen. Deze intelligentie bestaat uit

specifieke ontwerpdetails die in het profiel zijn opgenomen die de gebruiker in veel

situaties een grote meerwaarde biedt maar die als de gebruiker deze niet toepast geen

beperkingen impliceert. Deze specifieke “intelligente” details betreffen met name

voorzieningen die de montage vereenvoudigen zoals sleufgaten in lengterichting voor T-

en hoekaansluitingen.

Dit rapport wordt gelezen door doelgroepen met verschillende achtergronden en

expertises. Ten behoeve van de lezers die beperkte kennis op het gebied van de

aluminiumtechnologie hebben is veel achtergrondinformatie verwerkt in hoofdstuk 6. Dit

hoofdstuk over de constructieve beschouwing van de standaard en een case is opgesteld

door de leerstoel aluminium constructies aan de TU te Eindhoven en kan autonoom worden gelezen.

Lezers die weinig kennis hebben op het gebied van de constructieve aspecten van

profielen verwijzen we naar achtergrondinformatie die is opgenomen in hoofdstuk 5


2. Samenvatting en conclusie

De toepassing van meer courante (lichtgewicht) constructies met aluminium wordt “ontmoedigd” door het beperkte aanbod aan standaardprofielen. Staal kent een zeer

uitgebreid standaardprogramma dat ook door marktpartijen uit voorraad wordt geleverd.

Voor aluminium ontbreekt zo‟n standaardprogramma omdat de sector gewend is om meer

klant specifieke profielen te benutten. Met het project wordt beoogd de kaders te

verkennen voor deze standaardisatie met het doel dat marktpartijen dit vervolgen en

hiermee vanuit de aanbodzijde de toepassing bevorderen. De ambitie is niet om het staal programma (gedeeltelijk) te kopiëren maar om te kiezen voor enkele standaardprofielen

met toevoeging van intelligente details ten behoeve van de verbindingstechnologie.

Verbindingen in het algemeen zijn belangrijk, niet in de laatste plaats, omdat ze een

aanzienlijk deel van de kosten van een constructie uitmaken. Boutverbindingen in

aluminium zijn belangrijk, omdat ze het enige alternatief voor assemblage op de

bouwplaats zijn, aangezien lassen van aluminium buiten geen alternatief is. Daarnaast is

door toepassing van geboute verbindingen ook het gebruik van gecoate profielen mogelijk.

De verwachting is dat de markt een introductie van aluminium standaard profielen met

relatief kleine afmetingen eerder accepteert omdat deze toepassing breder inzetbaar is

en laagdrempeliger kan worden toegepast met een beperkt afbreukrisico. Op basis van

het voorgaande is gekozen voor een aluminiumprofielen reeks die kan worden ingezet

voor de huidige toepassing van staalprofielen met een hoogte van 100 tot 300 mm.

Voor de beoogde standaardisatie zijn 3 aluminium kokerprofielen geconstrueerd die zijn

gecompleteerd met drie bijbehorende aluminium I-profielen. Met dit programma kan men

met een beperkt aantal profielen een belangrijk deel van het staalsegment vervangen en

hierbij gebruik maken van de kenmerkende eigenschappen van aluminium en de

meerwaarde van de toegevoegde detaillering ten behoeve van de toepassing van

sleufbouten.

De afmetingen van de profielen zijn als volgt:

Aluminium koker- en Aluminium I- profielen (HXBx wanddikte lijf/flens in mm):

• 400x300x10x22,25 400x300x10x26,5

• 350x220x8x9 350x220x11x13

• 200x140x6x10 200x140x11,5x12,5

Met deze standaardisatie van aluminium profielen in een beperkte reeks, waarbij is

gekeken naar profielen met eenzelfde buigstijfheid als veelvoorkomende staalprofielen, is

het mogelijk om eenvoudige, snelle ligger-kolom verbindingen te realiseren die dezelfde

sterkte en stijfheid hebben als standaard ligger-kolom verbindingen in staal. Om dit te illustreren is een case uitgewerkt voor twee typen ligger-kolom verbindingen,

(een dwarskrachtverbinding en een momentverbinding) voor een willekeurig gekozen

combinatie van profielen. De case is representatief voor andere combinaties van de

vermelde aluminium profielen. Voor elke combinatie van profielen dient echter wel

additioneel een bijbehorend aluminium verbindingsprofiel te worden vervaardigd.


3. Projectaanpak

Allereerst is onder andere met de bij dit project betrokken bedrijven de behoefte

geïnventariseerd en de focus voor de standaardisatie vastgesteld. Op basis hiervan is een

voorstel uitgewerkt voor een drietal koker- en I-profielen die als basis dienen voor deze

standaardisatie

Het vaststellen en verkennen c.q. berekenen van de constructieve aspecten en mogelijkheden van de profielen vraagt een grote expertise op het gebied van

constructieve aluminium toepassingen. De leerstoel aluminium constructies faculteit bouwkunde aan de TUE beschikt over deze expertise en heeft op basis hiervan de

beoogde reeks constructief beschouwd en in een representatieve case uitgewerkt. De

expertise binnen de extrusie sector is ingezet om de gewenste details in de standaard te integreren. Het resultaat bestaat uit het vaststellen van een concept profiel voor de

beoogde standaardisatie..

Ps.: In het kader van dit project zijn de standaards niet concreet gefabriceerd. De

participerende marktpartijen (Sapa, ODS, Comhan Holland, Sublean en Dakontwikkeling

Nederland BV) zullen onder eigen verantwoordelijkheid beslissen of en zo ja onder welke

condities het project wordt vervolgd.


4. Behoefte en focus

Om de focus van dit project te kunnen definiëren zijn de deelnemers en derden

geconsulteerd. De deelnemers bevestigen dat er voor aluminium lichtgewicht

constructies een groot marktpotentieel is. Dit potentieel kan op basis van een aluminium

profielenstandaard beter worden ontwikkeld en bedient vooral als ook bepaalde details in

het profiel worden geïntegreerd die specifieke voordelen biedt aan verwerking en

gebruik.

De staalsector kent een zeer grote variëteit in stalen profielen zowel qua vorm als qua

afmetingen. Het is onhaalbaar maar ook niet wenselijk dit totale programma in een

aluminium uitvoering in de markt te introduceren. De deelnemers onderkennen dat een

nadere focus van groot belang is. Deze focus omvat drie aspecten namelijk de

afmetingen, de vorm en de specifiek detaillering.

A. Afmetingen:

De verwachting is dat de markt een introductie van aluminium standaard profielen met

relatief kleine afmetingen eerder accepteert omdat deze toepassing breder inzetbaar is

en laagdrempeliger kan worden toegepast. De afbreukrisico‟s voor zowel de producent

van de profielen, als de voorraadhouder en de gebruiker zijn lager.

Op basis van het voorgaande is gekozen voor een aluminiumprofielen reeks die kan

worden ingezet voor de huidige toepassing van staalprofielen met een hoogte van 100 tot 300 mm.

B. Vorm:

Staal kent een grote diversiteit aan vormen. De markt kan echter met kokerprofielen in

combinatie met bijpassende I-profielen een groot deel van de behoefte dekken, De

aluminium standaard wordt daarom beperkt tot deze twee profielvormen.

C. Specifieke detaillering: Technisch is het mogelijk een grote variëteit aan specifieke details in het profiel te

integreren.. Aanvankelijk werd verondersteld dat dit details konden zijn ten behoeve van

de verbindingstechnologie als details ten behoeve van de E&W (elektrotechnische en werktuigbouwkundige installaties). Ten aanzien van de . E&W bleek het niet mogelijk te zijn een eenduidige detaillering te definiëren. De markt is hiervoor te divers om in een

standaard te kunnen integreren. Met betrekking tot details gericht op de verbindingstechnologie, dus de montage van de constructie, was er een hoge mate van

uniformiteit. Qua detaillering is gekozen de reeks te voorzien sleufgaten ten behoeve

van montage met boutverbindingen.


5. Selectie en vormgeving aluminium standaard profielen

5.1. Verkenning stalen profielen programma

Staal is onder andere leverbaar in zeer veel gestandaardiseerde profielen. Een van de

redenen voor de standaardisatie is de behoefte vanuit de markt naar gedefinieerde

profielvormen en –afmetingen zowel op nationale als op internationale schaal. Deze

standaardisatie maakt het mogelijk de specifieke eigenschappen van de diverse profielen

te rubriceren in tabellen en dergelijke. Deze specifieke gegevens betreffen onder andere

• De afmetingen van de doorsnede (zie figuur);

• Oppervlakte van de doorsnede;

• Het gewicht in kg per meter;

• De waarde van het lineair traagheidmoment (I) in de y- en z-richting;

• De waarde van het weerstandsmoment tegen doorbuiging (Wb) in de y- en z-

richting;

• Enz.

Doorsnede IPE-profiel


Staalhalffabrikaten worden als volgt ingedeeld:

Balkstaal Platen Stafstaal

Breedflens balken Koudgewalst Massief

HE-A onbehandeld (licht

geolied) plat

HE-B verzinkt(elektrolytisch) rond

HE-M verzinkt (thermisch) vierkant

Profielbalken Warmgewalst Hoekprofiel

INP onbehandeld gelijkzijdig

IPE gebeitst/geolied ongelijkzijdig

UNP tranenplaat T-profiel

UPE gelijkzijdig

ongelijkzijdig

Koudgewalst Buizen/ Kokers Klein U-staal

C-profiel Rond UNP

L-profiel gelast/naadloos Platbulb

gelijkzijdig Vierkant Holland-profiel (HP)

ongelijkzijdig koudgevormd

U-profiel warmgevormd Betonstaal

gelijkzijdig Rechthoekig Staven (geribd)

ongelijkzijdig koudgevormd Supportliggers

Z-profiel warmgevormd Netten

Omega-profiel

Rail-profiel Stripstaal

ongelijkzijdig

In het kader van dit project is gefocust op de categorieën „balkstaal‟ en „buizen‟ in de

afmetingen met een hoogte van 100 t/m 300 mm. Deze profielen worden veel toegepast

in de constructieve sector. We veronderstellen dat soortgelijke profielen uitgevoerd in

aluminium laagdrempelig in de sector kunnen worden geïntroduceerd voor lichtgewicht

constructies.


Overzicht staalprofielen van h = 100 t/m 300 mm

Onderstaand volgt een inventarisatie van stalen profielen met een hoogte van h = 100

t/m 300 mm. In de tabel zijn naast de vorm van het profiel de relevante data vermeld

waaronder: weerstandsvermogen tegen buiging (Wb). het gewicht (G), de oppervlakte

(A), het lineair traagheidsmoment (I) en de afmetingen.

15 tgewicht) constructies

5.2. Selectie van profielen voor standaardisatie in aluminium

Voor de lezers met beperkte constructieve kennis wordt allereerst op hoofdlijnen de

sterkte berekening van profielen toegelicht.

Wanneer de constructeur een profiel gaat berekenen of deze geschikt is voor de beoogde

belasting zal hij uitkomen op een bepaalde buigspanning (σb) die in het profiel zal

optreden. Deze buigspanning moet uiteraard lager zijn dan de maximaal toelaatbare

trekspanning (σt). oftewel: σb ≤ σt. De treksterkte wordt als de toelaatbare spanning

beschouwd voor zowel trek, druk als voor buiging, dus geldt: σb ≤ σb toelaatbaar. Vaak

wordt er ook nog gebruik gemaakt van een veiligheidsfactor (veelal 1,2 tot 1,8).

Om de buigspanning in het materiaal te berekenen is het traagheidsmoment (I-waarde)

van belang. De I-waarde wordt berekend vanuit de doorsnede van het profiel.. Om het

weerstandsmoment tegen doorbuiging (Wb) te bepalen wordt de I-waarde gedeeld door

de uiterste vezelafstand (e). Zowel het traagheidsmoment als het weerstandsmoment

tegen doorbuiging staan uiteraard bij de standaard (stalen) profielen bij de

profielgegevens vermeld.

De constructeur kan op basis van de belastingssituatie (Mb) de buigspanning σb bepalen

(σb = Mb / Wb ) en toetsen of deze met in acht name van de veiligheidsfactor de

maximaal toelaatbare buigspanning (σt) niet overschrijd.

Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lich


Bij stalen standaard profielen kan de constructeur gebruik maken van de content van de

tabellen reeksen. Voor aluminium is deze standaardisatie beperkt en dient de

constructeur deze relevante content veelal zelf te bepalen. Dit komt omdat aluminium

profielen veelal klant specifiek zijn vormgegeven en dus ook een profielspecifieke I-

waarde en weerstandsmoment tegen buiging hebben.

Voor de volledigheid vermelden we dat er in aluminium ook enkele min of meer

standaardprofielen worden geleverd maar het aanbod is zeer beperkt en het profiel bevat

geen “intelligente” detaillering. De geformuleerde projectdoelstelling kan hiermee dus

niet worden gedekt..

Om binnen de focus van dit project tot een beperkte selectie te komen welke profielen,

gerelateerd aan de vermelde stalen profielen, zich lenen voor een standaard uitvoering in

aluminium is het als eerste nodig om de maximale doorbuiging te beschouwen. We

veronderstellen dat het voor de markt namelijk relevant is dat bij gelijke belasting een

aluminium profiel niet meer doorbuigt dan z,n stalen equivalent.

Om dit te realiseren moet bij een aluminium profiel, bij voorkeur uitgaande van gelijke

buitenafmetingen als z‟n stalen equivalent, materiaal worden toegevoegd in de uiterste

vezelafstand (e), waardoor de I-waarde maximaal kan worden vergroot. De doorbuiging

is namelijk afhankelijk van het product I-waarde x E- modulus.

Doordat de E-modulus van staal drie keer zo groot is dan die van aluminium. (staal

210000 N/mm2 en aluminium circa 70000 N/mm2) dient voor een gelijke doorbuiging de

I-waarde van het aluminium profiel te worden verdrievoudigd.


Toelichting E-modulus

In het spannings-rekdiagram verloopt veelal bij staal en aluminium aanvankelijk de rek

rechtevenredig met de trekkracht. (moduluslijn). Dit vindt plaats

tot de zogenaamde proportionaliteitsgrens (evenredigheidsgrens) is

bereikt. De hoek van deze lijn geeft de E-modulus aan. Hoe kleiner

de hoek des te meer rek zal optreden. Wanneer dus een stalen

profiel en een gelijkvormig profiel van aluminium op dezelfde wijze

worden belast zal die van aluminium drie keer meer doorbuigen als

die van staal.

Om bij aluminium dezelfde doorbuiging te hebben als die bij staal

moet de I-waarde drie keer groter worden om de lagere E-modulus

te compenseren.

Voor een hogere I-waarde moet bij voorkeur in de uiterste

vezelafstand (e) materiaal worden toegevoegd. Bij staal kan dit

veelal niet, omdat stalen profielen gewalst worden, waardoor men

beperkt is in de vormgeving. Aluminiumprofielen worden

geextrudeerd. Extruderen biedt een enorme vormvrijheid waardoor

bijna elke gewenst profielvorm kan worden geproduceerd. Van deze eigenschap van

aluminium wordt gebruik gemaakt om de aluminiumprofielen zodanig te dimensioneren

dat een maximale I-waarde dus een maximale weerstand tegen buiging wordt

gerealiseerd.


5.3. Hogere I-waarde ter compensatie van de lagere E-modulus Maximalisering

van de doorbuiging van een aluminium profiel tot de gelijke doorbuiging van z,n

stalen equivalent vergt toevoeging van materiaal bij voorkeur op de uiterste

vezelafstand (e). Dit kan men doen door bijvoorbeeld bij een IPE-profiel de beide

zijkanten dicht te maken en door verdikking aan de flenzen. Hierdoor krijgt men een

rechthoek met in het midden het lijf van het IPE-profiel zelf. Met deze aanpassing

gaat de functionaliteit van het IPE-profiel verloren, zie figuur, maar zo wordt wel een

grotere I-waarde gerealiseerd ter compensatie van de lagere E-

modulus.

Toelichting: De I-waarde wordt berekend door de I waarde van het toegevoegde

materiaal uit te rekenen en op te tellen bij de I-waarde van het standaardprofiel. De I-

waarde van het standaardprofiel kan men ontlenen aan de tabellen. zie 5.1). De I-

waarde voor het toegevoegde materiaal kan men uitrekenen aan de hand van gangbare

formules. Gestreefd wordt naar een vormgeving in aluminium waarbij de I-waarde wordt

verdrievoudigd.

Voor deze berekeningen is een Excel bestand gemaakt, waardoor snel en eenvoudig de

relevante data voor de diverse vormgevingsmogelijkheden kunnen worden berekend.

In dit bestand worden voor vier verschillende doorsneden (rechthoekige koker

massief/hol en ronde buis massief/hol) de I- en W-waarden berekend. De I-waarde

wordt automatisch ingevuld onder doorbuiging en de W-waarde onder buigspanning. De

doorbuiging staat vermeld in het gele vak en de buigspanning in het naastliggende gele

vak. Tevens kan de veiligheidsfactor worden uitgerekend. Het is ook mogelijk de

belasting te berekenen uitgaande van een gedefinieerde doorbuiging. De berekeningen

zijn gecontroleerd met het FEM pakket in het tekenprogramma SolidWorks


5.4. Verkenning oplossingsrichtingen

Aanvankelijk is beoogd de I-waarde van het aluminium profiel te verdrievoudigen met

buitenafmetingen gelijk aan de stalen uitvoering. Dit blijkt niet mogelijk. Het is

noodzakelijk de buitenafmetingen (hoogte en/of breedte) te vergroten.

Toelichting bij overzicht betreffende een relatief klein kokerprofiel (100x30x4)

1. Bij kokerprofielen kan zelfs bij een massieve uitvoering geen drievoudige I-waarde

worden gerealiseerd. Ook is er geen sprake van gewichtsreductie want het

profielgewicht per meter is hoger dan bij staal

2. Met een vijfvoudige verbreding van de koker wordt bij gelijkblijvende dikte voldaan

aan de vereiste Iy-waarde maar dit is weinig effectief.

3. Bij verhoging van de koker met 60 % en bij gelijkblijvende dikte wordt ruimschoots

voldaan aan de eis van een drievoudige Iy waarde

4. Verdikking van de opstaande zijden is niet effectief.

5. bij verdikking van de onder- en bovenzijde van 4 mm naar 22,5 mm kan met een

verhoging van 20 % worden volstaan. De gewichtsreductie is echter geringer

6. Overwogen kan worden om van kokers naar andere soorten profielen over te gaan,

zoals naar bijvoorbeeld een I-profiel. Dit vergt ook een hogere buitenafmeting.

Y.

h ,I-

.

I b

z :B

\ Ornl / 1000 / 1000

1.21 1.072

H

x 3 / 1000 x 3 / 1000

100x30x4 3.64 3.217

3,9312 4.027

160 x 30x 4

5.605 3.238

3.750 3.547

6,6825 3.668 3.561

dikte lijf = 17,5

dikte flens = 15

aluminium centrum

20



Uiteraard kan het profiel ook op torsie worden belast en dient dit indien van toepassing

te worden gecheckt. Voor deze check op torsie voor diverse profielvormen en variërende

maten is een Excel bestand opgezet. Zie hieronder.

5.5. Resultaten

Na de voorgaande verkenning zijn op basis van de resultaten een vijftal aluminium

kokers geconstrueerd die een aantal staalprofielen (tot een staalprofiel hoogte van 300

mm) kan vervangen. De uitgangspunten zijn reeds eerder vermeld en betreffen:

1. Een drievoudige Iy-waarde in verband met de doorbuiging;

2. Een drievoudige Ip-waarde in verband met de torsie;

3. Een lager specifiek profielgewicht (kg/m)


Staalprofiel HE-300A

hoogte = 290 mm

breedte = 300 mm

dikte flens = 14 mm

dikte lijf = 8,5 mm

Iy = 18263 x 104 mm4

Ip = 23585,93907 x 104 mm4

gewicht = 82,8906 kg/m

Aluminiumkokerprofiel:

Voorwaarden:

• hoogte veranderen en breedte gelijk houden.

• Iy >54789 x 104 mm4

• Ip >70757,81721 x 104 mm4

• gewicht ≤ 82,8906 kg/m

Resultaat:

• hoogte = 400 mm

Materiaal naar buiten toevoegen zorgt ervoor dat de Iy sneller stijgt met minder

materiaal en dus neemt het gewicht minder snel toe, vandaar de 400 mm en ook omdat

deze maat overeenkomt met die van staal.

• breedte = 300 mm

Deze maat is hetzelfde als het stalenprofiel en komt ook voor bij stalenkokers.

• wanddikte aan linker- en rechterkant = 10 mm

• wanddikte aan boven- en onderkant = 22,25 mm

• Iy = 55167,58263 x 104 mm4.

• Ip = 80134,78263 x 104 mm4.

• gewicht = 55,242 kg/m

De bovenstaande aluminiumkoker kan men niet gebruiken voor de IPE, UNP en UPE

staalprofielen Ze zijn te afwijkend om daarvoor een kokerprofiel in te zetten.



hoogte = 210 mm

breedte = 220 mm

dikte flens = 11 mm

dikte lijf = 7 mm

Iy = 5410 x 104 mm4

Ip = 7136,8779 x 104 mm4


Aluminiumkokerprofiel:

Voorwaarden:

• hoogte veranderen en breedte gelijk houden

• Iy >16230 x 104 mm4

• Ip >21410,6337 x 104 mm4


Resultaat

• hoogte = 350 mm


materiaal en dus neemt het gewicht minder snel toe, vandaar de 350 mm. Deze maat

komt niet overeen met die van staal, maar toch kiezen we hiervoor omdat we zo het

gewicht zo laag mogelijk houden.




• wanddikte aan boven- en onderkant = 9 mm

• Iy = 16393,74107 x 104 mm4

• Ip = 23962,33733 x 104 mm4


De bovenstaande aluminiumkoker kan men niet gebruiken voor UNP en UPE

staalprofielen, omdat deze te afwijkend zijn om daarvoor een koker te gebruiken.



hoogte = 133 mm

breedte = 140 mm

dikte flens = 8,5 mm

dikte lijf = 5,5 mm

Iy = 1033 x 104 mm4

Ip = 1384,133063 x 104 mm4


Aluminiumkokerprofiel

Voorwaarden

• hoogte veranderen breedte gelijk houden

• Iy >3099 x 104 mm4

• Ip >4152,399189 x 104 mm4


Resultaat

• hoogte = 200 mm


materiaal en dus neemt het gewicht minder snel toe, vandaar de 200 mm en ook omdat

deze maat overeenkomt met die van staal.




• wanddikte aan boven- en onderkant = 10 mm

• Iy= 3112,533333 x 104 mm4

• Ip = 4540,138667 x 104 mm4

• gewicht= 13,392 kg/m

De bovenstaande aluminiumkoker kan men niet gebruiken voor UNP en UPE

staalprofielen, omdat deze te afwijkend zijn om daarvoor een koker te gebruiken.

24


Nu voor de hele reeks (staal h = 100 t/m 300 mm) drie aluminium kokerprofielen zijn

gedefinieerd worden 3 bijpassende aluminium I-profielen geconstrueerd met identieke

breedte en hoogte maten.

Opgemerkt wordt dat het aluminium I-profiel niet kan worden ingezet voor UNP en UPE

staalprofielen, omdat deze te afwijkend zijn om daarvoor een I-profiel te gebruiken.


hoogte = 290 mm

breedte = 300 mm

dikte flens = 14 mm

dikte lijf = 8,5 mm

Iy = 18263 x 104 mm4

Ip = 23585,93907 x 104 mm4


Aluminium I-profiel:

Voorwaarden

• hoogte 400 mm en breedte 300 mm

• Iy > 54789 x 104 mm4

• Ip > 70757,81721 x 104 mm4


Resultaat

• hoogte = 400 mm

Voldoet aan de voorwaarden en komt tevens overeen met de maten van staal.



• dikte flens = 26,5 mm

• dikte lijf = 10 mm

• Iy = 59027,01942 x 104 mm4

• Ip = 70954,91108 x 104 mm4


25



hoogte = 210 mm

breedte = 220 mm

dikte flens = 11 mm

dikte lijf = 7 mm

Iy = 5410 x 104 mm4

Ip = 7136,8779 x 104 mm4


Aluminium I-profiel:

Voorwaarden


• Iy > 16230 x 104 mm4

• Ip > 21410,6337 x 104 mm4


Resultaat:

hoogte = 350 mm Voldoet aan de voorwaarden

breedte = 220 mm komt tevens overeen met de maten van staal

dikte flens = 13 mm

dikte lijf = 11 mm

Iy = 19366,20987 x 104 mm4

Ip = 21676,87023 x 104 mm4




hoogte = 133 mm

breedte = 140 mm

dikte flens = 8,5 mm

dikte lijf = 5,5 mm

Iy = 1033 x 104 mm4

Ip = 1384,133063 x 104 mm4


Aluminium I-profiel

Voorwaarden


• Iy > 3099 x 104 mm4

• Ip > 4152,399189 x 104 mm4


Resultaat

• Hoogte = 200 mm




• dikte flens = 12,5 mm

• dikte lijf = 11,5 mm

• Iy = 3594,335938 x 104 mm4

• Ip = 4168,220547 x 104 mm4


De drie geconstrueerde aluminiumkokers zijn gecompleteerd met drie bijbehorende

aluminium I-profielen. Met dit programma kan men met een beperkt aantal profielen een

belangrijk deel van het staalsegment vervangen. Dit betreft de stalen profielen: HEA,

HEB, HEM, IPE en INP. De voordelen van aluminium zijn evident en betreffen naast

gewichtsreductie, en corrosiebestendigheid de meerwaarde van de toegevoegde

detaillering ten behoeve van de toepassing van sleufbouten.


6. Constructieve beschouwing en case

In het kader van dit project heeft de faculteit „Aluminium Constructies‟ aan de Technische

Universiteit van Eindhoven de constructieve aspecten van de toepassing van aluminium

(standaard) profielen beschouwd. In een case is het gebruik van sleufbouten ten behoeve

van de montage nader uitgewerkt.

Het rapport is integraal bijgevoegd en maakt deel uit van deze rapportage.

BIJLAGE:

Rapport Standaardisatie van aluminium profielen, inclusief ontwerp en

dimensionering boutverbindingen

aluminium centrum

29


1

Standaardisatie van aluminium profielen Inclusief ontwerp en dimensionering boutverbindingen

Auteurs: Prof.ir F. Soetens

Ir B.W.E.M. van Hove

Eindhoven, augustus 2011.

2

INHOUD

SAMENVATTING 3

1. EIGENSCHAPPEN VAN ALUMINIUM 4

1.1 Aluminium en aluminiumlegeringen 4

1.2 Fysische eigenschappen van aluminium 4

1.3 Mechanische eigenschappen van aluminium 6

1.4 Toepassingen van aluminium 9

2 ONTWERPASPECTEN 10

2.1 Eigen gewicht 10

2.2 Corrosievastheid 10

2.3 Vrijheid in vormgeving 11

2.4 Economie 13

3 ONTWERP EN BEREKENING VAN CONSTRUCTIEDELEN 14

3.1 Belastingen 14

3.2 Respons van de constructie 14

3.3 Draagkracht 15

3.3.1 Sterkte van de doorsnede 15

3.3.2 Stabiliteit van staven 15

3.3.3 Stabiliteit van platen 15

3.3.4 Ontwerp van de doorsnedevorm 15

4. ONTWERP EN BEREKENING VAN VERBINDINGEN 19

4.1 Boutverbindingen 19

4.2 Gelaste verbindingen 19

4.3 Klinknagels 20

4.4 Gelijmde verbindingen 20

4.5 Geëxtrudeerde verbindingen 21

4.6 Gegoten knooppunten 21

4.7 Hybride verbindingen 21

5. BOUTVERBINDINGEN, ONTWERP EN DIMENSIONERING 22

5.1 Inleiding 22

5.2 Typologie van de bouten 22

5.3 Sterkte van de bouten 23

5.4 Krachtswerking op de verbinding 23

5.5 Ontwerp van de verbinding 24

5.6 Case: ligger-kolom verbinding 25

5.6.1 Toetsing van een geboute dwarskrachtverbinding 25

5.6.2 Toetsing van een geboute flexibele momentverbinding 27

6. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 31

6.1 Conclusies 31

6.2 Aanbevelingen 31

7. REFERENTIES 32

3

SAMENVATTING De toepassing van lichtgewicht constructies met aluminium wordt „ontmoedigd‟ door het

beperkte aanbod van standaard profielen. Staal kent een zeer uitgebreid standaard

programma, dat door marktpartijen uit voorraad wordt geleverd. Voor aluminium

ontbreekt zo‟n standaard programma, omdat de sector gewend is om klantspecifieke

geëxtrudeerde profielen te benutten.

In het project “Standaardisatie aluminium profielen” zijn de kaders aangegeven voor een

mogelijk (beperkt) standaard programma van aluminium profielen voor

belastingdragende bouwconstructies. Allereerst zijn een aantal open (I) profielen en een

aantal kokerprofielen gedefinieerd op basis van een vergelijking tussen veel gebruikte

staalprofielen en mogelijke alternatieven in aluminium. Hierin wordt meer in detail

ingegaan op de constructieve aspecten. Voor de keuze van de doorsnedevorm zijn

behalve de sterkte, stijfheid en stabiliteit vooral ook de verbindingsmogelijkheden van

groot belang. Voor aluminium zijn in principe dezelfde technologieën als voor staal van

toepassing in geval van bouwconstructies. Verbindingen met bouten, lassen, klinknagels,

lijmen, maar ook combinaties van deze technologieën zijn mogelijk. Daarnaast bestaan er

specifieke verbindingen, die exclusief zijn voor aluminium door de vormgeving met

behulp van het extrusieproces.

Voor bouwconstructies zijn gelaste en geboute verbindingen de meest voorkomende.

Lassen heeft een aantal voordelen, waarop in hoofdstuk 4 nader wordt ingegaan, maar

kan voor aluminium – en in mindere mate voor staal – alleen binnen (in de werkplaats)

worden toegepast. Boutverbindingen worden veelal buiten op de bouwplaats voor de

montage van bouwdelen toegepast.

Een veel voorkomende boutverbinding is een ligger/kolomverbinding. Als case wordt in

dit rapport een dergelijke (standaard) verbinding in staal vergeleken met een alternatieve,

„intelligente‟ verbinding in aluminium. In hoofdstuk 1 worden allereerst de eigenschappen van aluminium besproken, die

relevant zijn voor dragende bouwconstructies.

Vervolgens komen in hoofdstuk 2 belangrijke ontwerpaspecten aan de orde, die bij de

keuze voor aluminium van belang kunnen zijn.

Hoofdstuk 3 gaat nader in op het ontwerp en de berekening van constructiedelen, zoals

dat is voorgeschreven in de vigerende normen.

In hoofdstuk 4 wordt eerst een overzicht gegeven van mogelijke verbindings-

technologieën in aluminium bouwconstructies. Daarna wordt in meer detail ingegaan op

de rekenregels voor geboute verbindingen.

Vervolgens is in hoofdstuk 5 eerst meer algemeen het ontwerp en de dimensionering van

boutverbindingen behandeld en is daarna de case, een veelvoorkomende ligger-

kolomverbinding, zoals hiervoor reeds is aangegeven, verder uitgewerkt.

Daarbij is uitgegaan van twee typen standaardverbindingen in staal t.w. een scharnierende

en een momentverbinding, en is vervolgens voor aluminium een alternatief ontworpen en

gedimensioneerd. Eén en ander is gedaan voor een willekeurige combinatie van profielen,

maar kan in principe voor elke combinatie van standaard aluminium profielen worden

toegepast.

Tenslotte worden in hoofdstuk 6 een aantal conclusies getrokken en worden tevens een

aantal aanbevelingen gedaan.

4

1. EIGENSCHAPPEN VAN ALUMINIUM

Bij de keuze voor aluminium als constructiemateriaal kunnen verschillende aspecten een

rol spelen, zoals het lage eigen gewicht, de hoge corrosiebestendigheid en de vele

mogelijkheden in de vormgeving. Met name de vrijheid in vormgeving van profielen

door gebruik te maken van het extrusieproces is een belangrijke factor in het

ontwerpproces.

In dit hoofdstuk wordt beknopt weergegeven, wanneer en waarom voor aluminium

gekozen kan worden. Tevens worden specifieke eigenschappen van aluminium

beschreven, die voor het ontwerpen van aluminium draagconstructies van belang zijn.

1.1 Aluminium en aluminiumlegeringen

Ongelegeerd aluminium, i.e. aluminium met minimaal 99,5% zuiver aluminium als

bestanddeel dus geen toevoeging van vreemde legeringselementen, wordt in dragende

bouwconstructies niet toegepast. Het is betrekkelijk zacht en wordt alleen gebruikt als

geen grote sterkte, hardheid of chemische bestendigheid worden vereist.

Aluminium is echter zeer goed te legeren met andere elementen. Een kleine toevoeging

(0,5 tot 3%) van andere metalen zorgt voor een aanzienlijke verbetering van

eigenschappen als sterkte, hardheid en corrosiebestendigheid. De belangrijkste

legeringselementen zijn koper (Cu), magnesium (Mg), mangaan (Mn), silicium (Si) en

zink (Zn).

Aluminiumlegeringen worden onderverdeeld in kneedlegeringen en gietlegeringen.

Kneedlegeringen bevatten de minste hoeveelheid andere legeringselementen. Zij worden

na het legeren gegoten tot palen en walsblokken. Deze worden gebruikt voor de

vervaardiging van halffabrikaten, zoals platen, buizen en profielen.

Gietlegeringen worden gegoten tot broodjes. Deze legeringen zijn uitermate geschikt

voor het maken van gietproducten met ingewikkelde drie-dimensionale vormen, zoals

knopen in ruimtelijke vakwerken.

Bij het gebruik van aluminium voor bouwconstructies zijn vooral sterkte, stijfheid,

breukrek en corrosiebestendigheid van belang. Deze eigenschappen zijn meestal bij één

bepaalde legering niet tegelijk optimaal aanwezig. De stijfheid is bovendien afhankelijk

van de vorm en grootte van de doorsnede, en niet van de toegepaste legering. De meest

toegepaste legeringen voor geëxtrudeerde profielen in bouwconstructies zijn 6060, 6063,

6061, 6005A en 6082. Voor gewalste platen worden vaak 5083 en 5454 gebruikt. Een

uitgebreider overzicht is gegeven in afbeelding 2.

1.2 Fysische eigenschappen van aluminium

In afbeelding 1 is een overzicht gegeven van enige belangrijke eigenschappen van

aluminium en andere bouwmaterialen. De eigenschappen van aluminium worden hierna

kort besproken.

5

EIGENSCHAP ALUMINIUM STAAL GEWAPEND BETON

HOUT METSELWERK

Dichtheid 2700 7850 2500 450 1800

ρ [kg/m3]

Lineaire uitzettingscoëfficiënt

23.10

-6

12.10

-6

10.10

-6

5.10

-6

6.10

-6

α (bij 20 tot 100 oC) (// vezel)

Elasticiteitsmodulus

E [N/mm2]

70000 210000 30000 10000 2500

Afschuivingsmodulus

G [N/mm2]

27000 81000 13000 650 1200

Constante van Poisson 0,30 0,30 0,15 - 0,10

ν

Afbeelding 1. Overzicht van kenmerkende fysische eigenschappen van bouwmaterialen

Dichtheid

Aluminium heeft een lage dichtheid van 2700 kg/m3, ongeveer 1/3 van de dichtheid van

staal. De toevoeging van andere metalen in de verschillende legeringen heeft nauwelijks

invloed op de dichtheid. Alleen bij legeringen uit de 8xxx serie, waar het element lithium

is toegevoegd, is de dichtheid van aluminium circa 15% lager.

Thermische uitzetting

De lineaire uitzettingscoefficient van aluminium is 23,5.10-6

K-1

, twee keer zo hoog als

die van staal.

Hiermee moet rekening worden gehouden indien aluminium wordt toegepast in

verbinding met staal, althans wanneer temperatuurbelasting een rol speelt in het ontwerp

van de draagconstructie. Bij verhinderde vervorming zullen de spanningen door

temperatuurveranderingen echter minder hoog zijn dan in staal, omdat de

elasticiteitsmodulus van aluminium drie keer zo laag is als die van staal. In de praktijk

zou een verbinding met staal alleen een probleem kunnen vormen bij relatief grote

dimensies en relatief slanke elementen. Een voorbeeld hiervan is hoogbouw, waarbij

aluminium profielen in een vliesgevel worden bevestigd op een stalen draagconstructie.

In zulke gevallen kunnen de verbindingen ook zodanig worden uitgevoerd, dat

vormveranderingen in de verbinding kunnen optreden zonder dat spanningen worden

veroorzaakt.


De elasticiteitsmodulus van aluminium is drie maal zo laag als die van staal. Aangezien de

constante van Poisson gelijk is aan die van staal, is ook de afschuivingsmodulus drie maal

zo laag. Eén en ander betekent dat bij het ontwerpen van draagconstructies in aluminium

de vervormingen een grotere rol spelen dan bij vergelijkbare staalconstructies. Teneinde

de vervormingen te beperken dient de stijfheid EI van een doorsnede vergroot

te worden. In hoofstuk 2.3 wordt dit nader toegelicht aan de hand van een eenvoudig

I-profiel.

De elasticiteitsmodulus heeft ook een belangrijke invloed op de stabiliteit van gedrukte

platen en plaatdelen van profielen. Dit aspect verdient eveneens aandacht bij het

ontwerpen en komt uitgebreid aan bod in de rekenregels van de vigerende normen.

6

Smelttemperatuur

Het smeltpunt van aluminium is erg afhankelijk van de samenstelling. Het smeltpunt van

zuiver aluminium is circa 660 oC. Feit is dat de smelttemperatuur van gelegeerd

aluminium relatief laag is. Dat heeft gunstige gevolgen, zoals bijvoorbeeld de

superplastische vervormbaarheid van het materiaal bij relatief geringe

temperatuurverhogingen. Maar ook negatieve gevolgen, zoals een geringere natuurlijke

brandwerendheid. Immers bij temperaturen boven de 650 oC zijn sterkte en

elasticiteitsmodulus tot nul gereduceerd.

Corrosievastheid

Aluminium en aluminiumlegeringen zijn altijd met een dunne afsluitende oxidehuid

bedekt. Deze afsluitende laag belemmert het verder oxideren van het metaal sterk. De

oxidehuid is zeer hecht met het onderliggende metaal verbonden en vormt een isolerende

laag met een hoge elektrische weerstand. Zonder deze oxidehuid zou aluminium dan ook

snel corroderen. In dit opzicht biedt aluminium een groot voordeel ten opzichte van staal,

dat niet is beschermd door een afsluitende oxidehuid. Na een beschadiging van het op-

pervlak zal de aluminium oxidehuid zich ook weer snel herstellen.

1.3 Mechanische eigenschappen van aluminium

In afbeelding 2 is een overzicht gegeven van belangrijke mechanische eigenschappen van

een aantal in de bouw veel toegepaste legeringen. Legeringen uit de series 2xxx en 4xxx

ontbreken in de afbeelding. De 2xxx-serie heeft als kenmerk een relatief lage

corrosiebestendigheid en een relatief slechte lasbaarheid, waardoor toepassing als

materiaal voor bouwconstructies niet gebruikelijk is. De 4xxx-serie wordt uitsluitend als

lastoevoegmateriaal gebruikt.

Enkele mechanische eigenschappen, die vooral van belang zijn voor het ontwerp en de

dimensionering van bouwconstructies, worden hierna kort besproken aan de hand van

het spanning-rek diagram, de invloed van veredeling op de mechanische eigenschappen

wordt besproken, en de elasticiteitsmodulus, hoewel geen mechanische eigenschap, komt

aan de orde vanwege de impact op het ontwerp en de dimensionering van aluminium

bouwconstructies.

7

GEMIDDELDE MECHANISCHE

EIGENSCHAPPEN

LEVERVORMEN Lasbaarheid

Type Hard-

heids- 0,2%

rek- Trek-

Sterkte Rek [%] Brinell

hardheid Plaat Pijp Extru-

sies Ge-

walste Ge-

walste

toe-

stand grens

[N/mm2]

[N/mm2] staaf draad

1050A O 30 70 43 19 X X b) c)

H14 90 100 12 25 X X X H18 125 130 6 35 X X

1200 O 35 90 35 23 X X X X H14 115 125 9 32 X X X X H18 150 165 5 44 X X X

3103 O 40 110 30 28 X X b) X X c)

H14 145 150 8 40 X X X X H18 185 200 4 55 X X X

5052 O 90 195 25 47 X X b) X X c)

H32 195 230 12 60 X X X X H34 215 260 10 68 X X X

5083 O 145 290 20 X X H32 230 315 14 X X

5086 O 115 260 22 X X H32 205 290 12 X X

5251 O 60 205 20 X X X H32 140 210 10 X X X H34 170 225 5 X X X

5454 O 115 250 22 62 X X H32 205 275 10 73 X X H34 240 305 10 81 X X

5754 O 80 210 20 X X X X H32 165 240 9 X X X X H34 190 260 5 X X X X

6005A T5/T6 230 275 8 85 X X c) 6060 T5/T6 160 200 14 60 X 6061 T4 130 200 18 65 X X X X X

T5/56 260 290 10 90 X X X X X 6063 T5/T6 190 225 12 70 X X 6082 T4 110 205 14 75 X X X X X

T6 a) 200 275 12 90 X X X X X T6 260 310 10 100 X X X X X

7020 T6 320 380 12 125 X X X X X c)

Verklaring van de toegepaste aanduidingen voor de hardheidstoestand: O = gegloeide toestand

H14, H18 = koudvervormd, hardheidstoestand circa half respectievelijk maximaal hard

H32, H34 = koudvervormd en gestabiliseerd, hardheidstoestand circa ¼- en ½-hard

T4 = oplosgegloeid en bij kamertemperatuur (natuurlijk) gehard

T5/T6 = oplosgegloeid, afgeschrikt en daarna kunstmatig gehard

a) = eigenschappen afhankelijk van levervorm, plaat of profiel

b) = in de typen 1xxx, 3xxx en 5xxx kunnen extrusies worden geleverd in de F-toestand

(toestand na het extruderen of warmwalsen, zonder nabehandeling)

c) = De in deze tabel genoemde legeringen zijn allen goed lasbaar. Legeringen met relatief veel koper (2xxx serie en sommige typen in de 7xxx serie) zijn meestal minder goed te lassen.

Afbeelding 2. Overzicht van mechanische eigenschappen, levervormen en lasbaarheid

8

str

ess [N

/mm

2]

Het spanning-rek (σ-ε) diagram

In afbeelding 3 zijn typische spanning-rek relaties weergegeven voor verschillende aluminiumlegeringen. Zoals blijkt uit deze afbeelding ontbreekt bij aluminium een

duidelijk vloeitraject. Bij het materiaal staal is zo‟n vloeitraject wel aanwezig. Bovendien

blijkt dat de treksterkte enorm wordt beïnvloed door de legeringsbestanddelen. Bij de in

afbeelding 3 opgenomen legeringen varieert de treksterkte van minder dan 100 N/mm2

tot

meer dan 500 N/mm2. Het oppervlak onder het σ-ε diagram tot het bezwijkpunt is een

indicatie voor de hoeveelheid energie die het materiaal kan opnemen bij belasting op zuivere trek.

Als grens voor elastische berekeningen wordt de 0,2% rekgrens f0,2 aangehouden. Dit is

de spanning waarbij, na ontlasting, een blijvende vervorming van 0,2 % optreedt. De

proportionaliteitsgrens fp ligt tussen 0,5 en 0,9 f0,2. Bij staal zijn f0,2 en fp nagenoeg aan

elkaar gelijk. De verhouding tussen de 0,2% rekgrens en de treksterkte varieert tussen 0,4

en 0,95, afhankelijk van de toegepaste legering en de toegepaste nabehandeling. Bij staal

is deze verhouding circa 0,7 voor constructiestaal.

600

500

400

300

200

7075-T6

2024-T6

6082-T6

5083-O

1020-O

100

0

0 0.05 0.1 0.15 strain [-]

Afbeelding 3. Spanning-rek relatie van zuiver aluminium en enkele aluminiumlegeringen.


De elasticiteitsmodulus E van aluminium is 70.000 N/mm2, drie keer zo laag als die van

staal. De variatie van deze waarde voor verschillende legeringen kan worden

verwaarloosd bij berekeningen. Bij rek binnen het elastisch gebied (kleiner dan 0,2 %)

betekent dit dat de spanning in staal, bij gelijke vervorming, drie keer zo hoog is als bij

aluminium. Ofwel bij een spanning binnen het elastisch gebied (kleiner dan f0,2) is de

vervorming van aluminium drie keer zo groot als bij staal.

Veredeling

De mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen kunnen worden verbeterd door

een bijzondere nabehandeling. In verband hiermee wordt onderscheid gemaakt tussen

thermische veredelbare en thermisch niet-veredelbare legeringen.

9

Het thermisch veredelen omvat drie behandelingen: het oplossend gloeien, het

afschrikken en het verouderen (harden). Door thermische veredeling kunnen de 0,2%

rekgrens en de treksterkte aanzienlijk worden verhoogd, terwijl de breukrek afneemt. De

eigenschappen hangen met name af van de tijdsduur en de hoogte van de thermische

behandeling. Thermische veredeling is alleen mogelijk bij legeringen uit de 2xxx-, 6xxx-

en 7xxx-serie. In deze legeringen zijn namelijk bestanddelen gebruikt waarvan de

oplosbaarheid in aluminium bij hogere temperaturen groter is dan bij lagere

temperaturen.

De eigenschappen van thermisch niet-veredelbare legeringen kunnen alleen worden

verbeterd door koudvervorming, zoals bij staal ook wel wordt toegepast. Dit wordt ook

wel mechanische veredeling genoemd. Bij deze bewerking, die kan optreden door

trekken, walsen of persen, worden de treksterkte, de 0,2% rekgrens en de hardheid

verhoogd. Door het materiaal uit te laten gloeien bij circa 350 oC blijft de oorspronkelijke

vervormingscapaciteit behouden.

1.4 Toepassingen van aluminium

Het aluminium, dat voor bouwconstructies wordt gebruikt, komt grotendeels terecht in

gevels en daken. Slechts een gering percentage komt terecht in dragende bouw-

constructies. Omdat gebleken is dat aluminium technisch en economisch goed kan

worden toegepast in dragende bouwconstructies, is er wel een toename te constateren van

aluminium bouwconstructies.

Voorbeelden van bouwconstructies voor bouwwerken zijn:

- ruimtelijke vakwerken,

- speciale bouwsystemen,

- kasconstructies,

- bruggen, vooral voetgangersbruggen maar ook verkeersbruggen,

- verkeersportalen,

- offshore constructies.

Aluminium is voor kasconstructies reeds vele jaren een belangrijke markt. Ook de

offshore industrie is een belangrijk afzetgebied voor aluminium draagconstructies.

Meer recent is vooral in Nederland een aanzienlijk aantal voetgangersbruggen

gerealiseerd en tevens een beperkt aantal verkeersbruggen. Daarnaast is een aantal malen

in het kader van renovatie een bestaand brugdek vervangen door een aluminium brugdek,

waarbij behalve het lage eigen gewicht - in het geval van een ophaalbrug- ook de

duurzaamheid en de snelle assemblage door prefabricage belangrijke aspecten voor de

toepassing van aluminium zijn geweest. Ook deze markt biedt grote perspectieven.

10

2. ONTWERPASPECTEN

Bij de keuze voor aluminium spelen de volgende aspecten in het algemeen een

belangrijke rol:

- het lage eigen gewicht;

- de hoge bestendigheid tegen corrosie en andere weersinvloeden;

- de mogelijkheden in vormgeving van de onderdelen, met name door extrusie;

- de economie van het eindproduct.

Deze aspecten worden hierna toegelicht. Uiteindelijk doel is dat een technische en

economisch verantwoorde constructie wordt gerealiseerd, die ook nog eens voldoet aan

esthetische eisen, indien deze worden gesteld.

2.1 Eigen gewicht

Het relatief lage eigen gewicht is van groot belang bij toepassing in bouwwerken. Een

lagere belasting door het eigen gewicht betekent dat grotere veranderlijke belastingen

kunnen worden toegelaten, ofwel dat de constructie lichter kan worden uitgevoerd. Met

name in de vliegtuigindustrie is de combinatie van gering eigen gewicht en zeer hoge

sterkte (bij specifieke legeringen) van groot belang geweest bij de keuze voor aluminium

als constructiemateriaal. Ook binnen de bouwsector kan een dergelijke afweging van

belang zijn.

Een lichtere draagconstructie heeft een aantal bijkomende gunstige gevolgen:

- lagere transportkosten;

- lagere montagekosten (er kan worden volstaan met lichter hijsmaterieel);

- betere hanteerbaarheid op de bouwplaats;

- geringere dimensies van overige constructiedelen (zoals de fundatie).

Bij toepassing van dezelfde profielen zou het eigen gewicht van een aluminium

constructie slechts 33% van de staalconstructie zijn. Indien niet de sterkte, maar de

stijfheid of stabiliteit van de constructie maatgevend is, zal echter niet hetzelfde profiel

kunnen worden toegepast. Om een zelfde stijfheid EI te verkrijgen moet het

traagheidsmoment I van aluminium drie keer zo groot worden als dat van staal. Deze

profielvergroting levert, in combinatie met het lagere eigen gewicht van aluminium,

uiteindelijk een reductie van het eigen gewicht van circa 50% ten opzichte van staal.

2.2 Corrosievastheid

De natuurlijk aanwezige oxidehuid kan op een aantal manieren worden aangetast. De

aantasting kan echter na enige tijd stabiel worden door het vormen van een nieuwe

oxidehuid. Dit kan ook plaatsvinden in wat agressievere milieus, zoals industrie- en

zeeklimaat.

Bij aluminium kunnen als hoofdvormen van corrosie worden onderscheiden:

- algemene corrosie (gelijkmatige aantasting van de oxidehuid door sterke logen en

zuren);

- putcorrosie (putvormige aantasting door verstoring van de oxidehuid of door

vreemde, hechtende deeltjes);

- spleetcorrosie (aantasting bij spleten in een constructie, bijv. bij hoeklassen maar

ook bij boutverbindingen);

11

- galvanische corrosie (corrosie door contact met edeler metalen);

- interkristallijne corrosie (aantasting langs korrelgrenzen, veroorzaakt door

laswarmte);

- spanningscorrosie (interkristallijne aantasting, veroorzaakt door lasspanningen)

- laminaire corrosie (laagvormige interkristallijne aantasting, veroorzaakt door

sterke koudevervorming en onjuiste warmtebehandeling);

De laatste drie vormen van corrosie zijn volledig uit te sluiten door een juiste detaillering.

Galvanische corrosie kan uitstekend worden voorkomen door de twee aansluitende

metalen van elkaar te isoleren. Als isolatiemateriaal komen bijvoorbeeld neopreen of

nylon in aanmerking. Galvanische corrosie wordt ook voorkomen door gebruik te maken

van roestvast staal in plaats van constructiestaal (zie bijvoorbeeld afbeelding 4).

Afbeelding 4. Juiste detaillering van de verbinding voorkomt corrosie.

2.3 Vrijheid in vormgeving

Aluminium constructiedelen kunnen worden onderverdeeld in platen, profielen en

gegoten constructiedelen. De platen worden toegepast in gevels en daken, de profielen

worden toegepast in de draagconstructie (liggers, kolommen, en dergelijke). Gegoten

constructiedelen, die via vloeibare vormgevingstechnieken worden vervaardigd, hebben

meestal betrekking op specifieke verbindingen (knopen in ruimtelijke vakwerken, en

dergelijke). Aluminium platen worden vervaardigd in een walsproces. De platen voor

bouwkundige toepassingen (in gevels en daken) hebben een dikte van 0,5 tot 25 mm. De

meeste leveranciers hebben voor verschillende legeringen standaard platen met standaard

diktes.

Het extruderen is één van de belangrijkste verwerkingstechnieken voor aluminium en is

mogelijk omdat aluminium bij temperaturen van ongeveer 450 tot 500 oC zacht en

plastisch wordt. Bij extruderen wordt een profielmatrijs (een geharde stalen schijf waarin

een uitsparing is aangebracht in de vorm van het gewenste profiel) in de pers gemonteerd

en aan de voorzijde van de recipiënt (een op temperatuur gebrachte cilindrische houder)

geplaatst. Het gegoten ronde blok aluminium, dat in een gasoven is verhit tot een

temperatuur van 450 tot 500 oC, wordt met behulp van een transporteur in de recipiënt

tegen de matrijs geschoven. Om te voorkomen dat er lucht mee wordt geëxtrudeerd

wordt, na het dichtpersen van de opening tussen het ronde aluminium blok en de

recipiëntwand, de lucht door middel van vacuum eruit verwijderd. Daarna kan het

12

extruderen aanvangen. De persstempel wordt in beweging gebracht en oefent een druk uit

van 500 tot 10.000 ton op het aluminium blok, waardoor het aluminium door de in de

matrijs aangebracht sparing wordt geperst. De profielen worden daarna op een trekbank

gestrekt en op de gewenste lengte afgezaagd. Door de matrijs op een juiste manier op te

bouwen kunnen de meest ingewikkelde profielvormen in een stap worden gerealiseerd.

Het persen van gesloten profielen, zoals buisprofielen, geschiedt op eenzelfde wijze als

bij open profielen. Het gegoten aluminium blok is dan echter in de lengte voorzien van

een gat, waarin een persdoorn past, die dezelfde diameter heeft als de binnendiameter van

de verlangde buis. De persmatrijs heeft een opening met een diameter gelijk aan de

buitendiameter van de gewenste buis. De ruimte die overblijft tussen persdoorn en

matrijsopening is de wanddikte van de verlangde buis. Een buis kan door natrekken, en

zonodig nagloeien, een betere maatnauwkeurigheid verkrijgen. Tevens levert deze

nabehandeling een grotere mechanische sterkte op.

Een illustratie van mogelijke voordelen van een extrusieprofiel is weergegeven in

afbeelding 5. Alle vier de liggers in deze afbeelding hebben dezelfde buigstijfheid EI. Bij

de eerste aluminium ligger is de hoogte van de stalen ligger als uitgangspunt genomen.

Om een zelfde buigstijfheid te verkrijgen is de vorm van de doorsnede gewijzigd. De

gewichtsbesparing ten opzichte van de stalen ligger is echter slechts 1,3%.

Bij de laatste aluminium I-ligger is uitgegaan van optimalere extrusiematen en

extrusiediktes. Als gevolg van de grote hoogte zullen de buigspanningen in de uiterste

vezels van de flenzen van het profiel relatief laag zijn. De gewichtsbesparing ten opzichte

van de stalen ligger met dezelfde buigstijfheid bedraagt 49%. Door de slanke

doorsnedevorm is de torsiestijfheid van deze aluminium ligger echter beduidend lager.

Dit zou nog kunnen worden verbeterd door gesloten torsiestijve profieldelen op te nemen

in de doorsnedevorm. Bovendien kunnen in het extrusieproces meer functies aan de

doorsnede worden toegevoegd, zoals de sleuven voor de plaatsing van

verbindingsmiddelen. Dit voorbeeld toont aan dat met behulp van het extrusieproces een

doorsnedevorm kan worden gerealiseerd, die exact is aangepast aan de eisen die aan de

doorsnede worden gesteld.

Afbeelding 5. Vergelijking doorsnedevormen op basis van gelijke buigstijfheid.

13

Het kan soms voordelig lijken om op de constructiekosten te besparen door zo groot

mogelijke profielen toe te passen. Een alternatief is kleinere profielen samen te voegen

tot een grotere doorsnede. Afwegingen die daarbij een rol spelen zijn de fabricagekosten

(lassen, etc.), matrijskosten, transportkosten en leveringstermijn. Er zijn namelijk weinig

extrusiepersen die profielen van zeer grote afmetingen kunnen vervaardigen, waardoor

leveringstermijn en het in voorraad houden sterk op de kosten gaan drukken bij grotere

profielen.

Een belangrijke, nieuwe ontwikkeling om te komen tot grote profielafmetingen is de

toepassing van wrijvingsroerlassen (Friction Stir Welding), waarmee in de praktijk zeer

goede resultaten worden behaald.

2.4 Economie

De praktijk heeft bewezen dat aluminium een economisch alternatief kan zijn voor

traditionele bouwmaterialen, zoals staal, beton, hout en baksteen. Met name bij grotere

overspanningen (ruimtelijke vakwerken, kapconstructies voor stadions, luifels met grote

uitkragingen, et cetera) is aluminium goed toepasbaar. Bij dit type constructies spelen het

lage eigen gewicht in combinatie met de mogelijke vormgeving van geëxtrudeerde

profielen een belangrijke rol bij de keuze voor aluminium. Aluminium is ook zeer goed

toepasbaar in constructies die gedurende de levensduur in contact blijven met de

buitenlucht (bruggen, verkeersportalen, et cetera). In dit geval spelen de goede corrosieve

eigenschappen, en daarmee samenhangend de zeer lage onderhoudskosten, een

belangrijke rol bij de keuze voor aluminium.

De prijs per kilogram aluminium ligt hoog ten opzichte van die van staal. De prijzen

lopen echter steeds meer naar elkaar toe, terwijl er ook nog gerekend mag worden op een

aanzienlijk lager constructiegewicht bij aluminium ten opzichte van staal (gemiddeld

50% gewichtsreductie).

Bij een reële prijsvergelijking tussen aluminium en staal dienen daarom de volgende

factoren te worden meegenomen:

- materiaalkosten van de draagconstructie;

- fabricagekosten van de constructiedelen;

- transportkosten;

- montagekosten van de draagconstructie;

- maken van de verbindingen;

- kosten van oppervlaktebehandeling (bijvoorbeeld schilderwerk);

- onderhoudskosten gedurende de levensduur.

Daarnaast spelen bij de toepassing van aluminium een aantal factoren een rol, waarvan de

gevolgen ten aanzien van de kosten in ieder geval kwalitatief kunnen worden ingeschat.

Enkele voorbeelden zijn:

- een mogelijk lichtere uitvoering van een onderliggende draagconstructie (inclusief

fundering);

- een eenvoudiger aan te brengen afbouwconstructie;

- volledig hergebruik van het materiaal na sloop.

14

3. ONTWERP EN BEREKENING VAN CONSTRUCTIEDELEN

Een aluminium draagconstructie wordt optimaal ontworpen als vanaf het beginstadium

rekening wordt gehouden met de in hoofdstuk 2 genoemde ontwerpaspecten. De toetsing

van de draagconstructie bestaat, net als bij andere materialen, uit de volgende stappen:

- bepaling van belastingen en belastingscombinaties;

- bepaling van de respons van de constructie;

- toetsing van de vervormingen;

- toetsing van de draagkracht van constructiedelen;

- toetsing van de verbindingen.

Omdat de Nederlandse normen [2], [3], [4] en [5] binnenkort komen te vervallen

(waarschijnlijk per 1-1-2012), dient het ontwerp en de berekening van een

aluminiumconstructie te worden uitgevoerd op basis van Europese regelgeving. Voor de

belastingen en belastingscombinaties is Eurocode 1 [6] van toepassing. Voor de bepaling

van de krachtsverdeling en de draagkracht moet dan gebruik worden gemaakt van Euro-

code 9 [7].

Part 1.1 “ Algemene constructieregels” van Eurocode 9 heeft betrekking op statisch

belaste aluminiumconstructies. Belangrijke andere delen van Eurocode 9 zijn Part 1.2

“ Brandwerendheid van aluminiumconstructies”, en Part 1.3 “Op vermoeiing belaste

aluminumconstructies”. Hoewel Part 1.1 het belangrijkste deel van Eurocode 9 is, is met

name voor aluminium de aandacht voor brandwerendheid alsmede voor vermoeiing een

welkome aanvulling op de Nederlandse norm, waarin geen rekenregels voor die twee

fenomenen gegeven waren.

3.1 Belastingen

Bij aluminium zal de belastingscombinatie met uitsluitend permanente belasting (1,35 G

volgens Eurocode 1) vaak gunstiger zijn dan de belastingcombinatie met veranderlijke

belastingen (1,2 G + 1,5 Q voor bouwwerken van klasse 3 volgens Eurocode 1). De

permanente belasting wordt grotendeels gevormd door het eigen gewicht van de drager

en de afbouw, en deze kan dus relatief laag zijn. Andersom redenerend kan worden

gesteld dat aluminium bij uitstek geschikt is voor bouwdelen, waarbij de veranderlijke

belastingen relatief laag zijn en het eigen gewicht een belangrijke rol speelt, zoals

bijvoorbeeld bij dakconstructies, maar ook bij bruggen met zeer grote overspanningen.

3.2 Respons van de constructie

Om een aluminiumconstructie toegankelijk te maken voor berekening moet de

constructie worden geschematiseerd. De schematisering bestaat uit twee onderdelen:

- systeem van de constructie (systeemlijnen, systeemlengten, opleglengten,

verbindingen);

- constructietype (staven, raamwerken, vakwerken, plaatvelden, verbindingen, e.d.).

De respons van de constructie, dat wil zeggen de krachtsverdeling en de

vervormingstoestand, moet worden bepaald met behulp van de toegepaste mechanica.

Indien gebruik wordt gemaakt van rekenmodellen dient aan een aantal voorwaarden te

worden voldaan, zoals de toe te passen aluminiumlegeringen, de verbindingen en

imperfecties.

15

3.3 Draagkracht

3.3.1 Sterkte van de doorsnede

Wanneer een doorsnede wordt belast op zuivere trek, druk, buiging of afschuiving, dan

moet worden nagegaan of de capaciteit van de doorsnede in de uiterste grenstoestand

toereikend is. Dit kan volgens Eurocode 9, Part 1.1. Bij buiging en afschuiving is de

capaciteit afhankelijk van de doorsnedeklasse (vergelijk met staal).

In Eurocode 9 zijn regels gegeven waarmee de doorsnedeklasse eenvoudig kan worden

bepaald. De doorsnedeklasse is afhankelijk van de spanningsgradiënt, de sterkte van het

materiaal en de plooivorm van het beschouwde plaatveld.

In Eurocode 9 zijn ook regels gegeven voor het bepalen van de doorsnedeklasse van

dunwandige buisprofielen (belast op druk of buiging) en van gekromde doorsnede-

elementen (belast op druk). Het laatste is handig, omdat bij geëxtrudeerde profielen vaak

niet alleen vlakke elementen, maar ook gekromde elementen aanwezig zijn. Bij combinaties van krachten en momenten kan gebruik worden gemaakt van

interactieformules. De interactieformules voor buiging en normaalkracht van Eurocode 9

zijn een veilige benadering van de werkelijke doorsnedecapaciteit.

De invloed van (bout)gaten op de capaciteit van de doorsnede kan worden

verdisconteerd. Voor de dwarskrachtcapaciteit moet altijd van de netto doorsnede worden

uitgegaan. Bij buiging en normaalkracht mag in bepaalde gevallen de bruto doorsnede in

rekening worden gebracht. Ook hiervoor zijn rekenregels in Eurocode 9 gegeven.

3.3.2 Stabiliteit van staven

Controle van de stabiliteit van staven heeft betrekking op de volgende fenomenen:

- knik

- torsie

- torsieknik

- kip

- plooi.

De rekenregels in Eurocode 9, Part 1.1 besteden ruimschoots aandacht aan elk van de

bovengenoemde fenomenen. Ook voor staal gebeurt dat in Eurocode 3, maar zoals eerder

opgemerkt, is stabiliteit eerder maatgevend voor aluminium dan voor staal door de lage

waarde van de elasticiteitsmodulus.

3.3.3 Stabiliteit van platen

In Eurocode 9, Part 1.1 zijn rekenregels opgenomen waarmee de plooistabiliteit van

verstijfde en onverstijfde platen kan worden gecontroleerd.

3.3.4 Ontwerp van de doorsnedevorm

In het voorgaande is aangegeven welke specifieke aspecten een rol spelen bij de bepaling

van de draagkracht van een aluminium draagconstructie. Nu dit bekend is moet het

eenvoudiger zijn om een goede doorsnedevorm te kiezen voor de verschillende

16

constructiedelen. In afbeelding 6 is een uit Eurocode 9, Part 1.1 afkomstig overzicht

gegeven van verschillende aluminium doorsneden.

Voor sommige ontwerpen zal een standaard doorsnede worden gekozen uit een

tabellenboek. Dit is met name het geval wanneer de constructeur onvoldoende kennis

heeft van het materiaal aluminium, of wanneer de constructeur niet de tijd krijgt om enige

aandacht te besteden aan een logische en rendabele doorsnedevorm. Elke leverancier van

aluminium profielen heeft een (beperkte) keuze aan standaard profielen, die qua

doorsnedevorm vergelijkbaar zijn met staalprofielen. De eigenschappen van deze

profielen zijn meestal verwerkt in tabellen, die verstrekt kunnen worden door de

leverancier.

Uit bestaande ontwerpen is gebleken dat ook afwijkende doorsnedevormen worden

toegepast. De vorm van de doorsnede is daarbij bepaald op basis van mechanische

criteria, maar ook andere criteria spelen vaak een belangrijke rol. Praktische

aanbevelingen bij het ontwerpen van de doorsnede zijn (zie ook toelichting hierna):

- stem de vorm van de doorsnede af op de krachtswerking in de doorsnede;

- geef het profiel extra functies mee;

- profielen kunnen worden samengesteld uit meerdere onderdelen.

1. Vorm van de doorsnede

De vorm van de doorsnede moet zoveel mogelijk worden afgestemd op de krachts-

werking in de doorsnede.

Bij zuivere buiging is het logisch om zoveel mogelijk materiaal naar de uiterste vezels

dwz. de flenzen van profielen te brengen. Bij afschuiving zal voldoende materiaal in de

richting van de dwarskracht aanwezig moeten zijn, waarvoor in het algemeen de lijven

van profielen in aanmerking komen.

Optimaliseren van de doorsnede zal vaak betekenen een zo gering mogelijke doorsnede

met voldoende draagkracht. Een gunstige verhouding tussen stijfheid en oppervlak van de

doorsnede wordt verkregen door zoveel mogelijk materiaal naar de boven- en onderkant

van de doorsnede te verplaatsen. Dit betekent dat slanke profielen worden gevormd. Om

te voorkomen, dat plooi van de slanke plaatdelen maatgevend wordt, kunnen

verstijvingen in de doorsnede worden aangebracht. Ook krachtsinleidingen ter plaatse van

puntlasten en opleggingen kunnen worden ingeleid door het profiel op de juiste plaats te

verstijven.

Tevens is het van belang om bij het ontwerp van een profiel aan de mogelijke

verbindingen te denken. In het geval van lassen kan, bijvoorbeeld bij stompe

lasverbindingen, de lasnaadvoorbewerking geiëxtrudeerd worden. Maar ook bij

boutverbindingen kunnen verbindingsdetails in het extrusie-ontwerp meegenomen

worden, zie ook hoofdstuk 5.

17

f

y -

I I

y

I z

I

I

z z z

,LTI"'-y = y

z y-mZ l m,z , 'z I

;z

z z I

y-· I

-·-· ·-·- 1

·-·y

z z z

.z

IZ

z z z I z

I

'T' rn,

V

\ I

I

'- y \ j / u y

18

y -· ·. .'-·- y ·\

r I .

u

z z v z z

Afbeelding 6. Aluminium doorsneden (figuur 1.1 uit Eurocode 9, Part 1.1).

19

2. Extra functies.

De basisvorm van (geëxtrudeerde) doorsneden kan nog worden uitgebreid door andere

functies aan de doorsnede toe te voegen. Voorbeelden hiervan zijn:

- inleiding van belastingsconcentraties (grotere dikte profiel, verstijving, e.d.),

- realisatie van verbindingen (schroeven, moersleuven, e.d.),

- opname van thermische onderbrekingen,

- opname van afdichtingsprofielen (rubbers),

- bevestiging van afdeklijsten.

3. Samenstellen van profielen.

Het is goed mogelijk om grotere doorsneden te vervaardigen en toch gebruik te maken

van de voordelen van het extrusieproces. De doorsneden kunnen dan worden

samengesteld uit geëxtrudeerde onderdelen. Bij het samenvoegen van twee of meer

profielen tot een groter profiel zijn meerdere mogelijkheden aanwezig voor het maken

van de verbinding. Bij constructieve toepassingen zal meestal gekozen worden voor een

lasverbinding. Bij de doorsnedevorm van het extrusieprofiel kan rekening worden gehou-

den met de te maken lasverbinding door de geometrie van de verbinding eveneens te

extruderen. Een las die over de lengte van het profiel loopt moet op de juiste plaats

worden aangebracht, dat wil zeggen op een plaats waar de optredende spanningen in de

doorsnede steeds gering zijn, of in ieder geval lager dan de gereduceerde spanning in de

warmte-beïnvloede zone. Indien mogelijk is de meest gunstige lokatie de neutrale lijn van

een profiel. Zoals eerder gememoreerd, is het Friction Stir lassen van profielen een

belangrijke uitbreiding van het lassen met de bekende lasprocessen voor aluminium, MIG

en TIG.

20

4. ONTWERP EN BEREKENING VAN VERBINDINGEN

Verbindingen in aluminium draagconstructies kunnen worden onderscheiden in

traditionele verbindingen en speciale verbindingen.

Met traditionele verbindingen worden verbindingen bedoeld die al veelvuldig zijn

toegepast en die qua ontwerp en berekening vergelijkbaar zijn met staal. Het betreft met

name geboute en gelaste verbindingen. Klinknagels komen bij uitzondering voor, en

worden in het geval van aluminium draagconstructies koud geklonken.

Speciale verbindingen zijn verbindingen die typisch zijn voor aluminium, en waarbij

goed gebruik wordt gemaakt van de mogelijkheden van het materiaal en de

vervaardigingsmethoden. Speciale verbindingen kunnen worden onderscheiden in

gelijmde verbindingen, gegoten knooppunten en geëxtrudeerde verbindingen.

Tot slot is het ook nog mogelijk om meerdere verbindingsmiddelen in één verbinding toe

te passen. Dit zijn de zogenaamde hybride verbindingen.

4.1 Boutverbindingen

Voor de verbinding van aluminium constructiedelen kunnen zowel stalen als aluminium

bouten en voorspanbouten worden toegepast. Het voordeel van aluminium bouten is dat

er geen kans is op galvanische corrosie en dat er geen verschil in thermische expansie

optreedt tussen moedermateriaal en verbindingsmiddel. Wanneer stalen bouten worden

gebruikt, moet worden gegarandeerd dat geen corrosie zal optreden bij de heersende

omgevingscondities. Gegalvaniseerde stalen bouten voldoen onder de meeste

omstandigheden. Wanneer een grotere corrosievastheid gewenst is, kunnen ook roestvast

stalen bouten worden toegepast.

Eurocode 9, Part 1.1 geeft in hoofdstuk 3, tabel 3.4 een overzicht van toe te passen

materialen voor boutverbindingen, en tevens voor klinkverbindingen, de laatste alleen

voor koudgeklonken, aluminium nagels.

Rekenregels voor de grensdraagkracht ( sterkte) van bouten en klinknagels zijn

opgenomen in hoofdstuk 8, tabel 8.5. Voor voorspanbouten zijn rekenregels gegeven in

hoofdstuk 8.5.9. Deze rekenregels zijn vergelijkbaar met die voor vergelijkbare

staalconstructies.

4.2 Gelaste verbindingen

In aluminium constructies met boutverbindingen is het gewicht van de verbindingen

gemiddeld 10% van het totale gewicht van de draagconstructie. Bij gelaste verbindingen

is dit slechts 4%. Deze gewichtsbesparing is een (marginaal) voordeel van lassen.

Daarnaast zijn de eenvoudige fabricage en montage belangrijke voordelen van gelaste

verbindingen. Het is echter lang niet altijd mogelijk om gelaste verbindingen toe te

passen, bijvoorbeeld wanneer verbindingen op de bouwplaats moeten worden gemaakt.

In zo‟n geval kunnen het best mechanische verbindingsmiddelen worden toegepast. Ook

wanneer de constructie op vermoeiing wordt belast, zijn bouten (vooral voorgespannen

bouten) in het algemeen meer geschikt.

Bij het ontwerp en de dimensionering van gelaste verbindingen in aluminium dient zowel

aan de las als aan de door warmte- beïnvloede zone aandacht te zijn besteed.

21

Voor de berekening van verbindingen met meerdere lassen zijn twee methoden mogelijk:

1. De krachten die op de verbinding werken worden toebedeeld aan die lassen die

het meest geschikt zijn om ze op te nemen. Hierbij dient te worden nagegaan of

de lassen voldoende vervormingscapaciteit bezitten. Bovendien moet worden

gecontroleerd of de aangenomen krachtverdeling in de lassen niet leidt tot

overbelasting van de aansluitende doorsneden.

2. De lassen worden berekend op de spanningen die optreden in de aansluitende

doorsneden van de verbinding. Voor gecompliceerde verbindingen kan het

moeilijk zijn om deze spanningen te bepalen.

4.3 Klinknagels

In tegenstelling tot stalen klinknagels worden aluminium klinknagels koud geklonken.

Dit betekent dat een andere krachtswerking optreedt. In de koud verwerkte klinknagels is

immers, doordat geen afkoeling en dus ook geen krimp optreedt, geen trekspanning

aanwezig. De wrijving tussen de verbonden platen is daarom onvoldoende om de

krachten over te brengen. Dit betekent dat de klinknagel op afschuiving wordt belast, en

dat het plaatmateriaal ter plaatse van het gat op stuik wordt belast.

In Eurocode 9, Part 1.1 zijn geen aparte rekenregels opgenomen voor de toetsing van een

verbinding met klinknagels. Gezien de krachtswerking kan de klinknagel vergeleken

worden met een bout en kunnen klinknagels met de rekenregels voor bouten worden

gedimensioneerd , zie tabel 8.5.

4.4 Gelijmde verbindingen

Gelijmde verbindingen worden in bouwconstructies nog niet vaak toegepast. Bij het

ontwerp van gelijmde verbindingen moet rekening worden gehouden met de volgende

aspecten:

- De te verlijmen oppervlakken moeten voldoende afmetingen hebben. De sterkte

van constructieve lijmen ligt namelijk een factor 5 tot 10 lager dan die van

aluminiumlegeringen.

- Een grotere breedte van het lijmoppervlak leidt meestal tot een evenredige

toename van de sterkte van de verbinding. Een grotere lengte leidt, zeker bij

overlapverbindingen, meestal tot grotere spanningsconcentraties.

- Schuifkrachten kunnen uitstekend worden opgenomen. Trekkrachten, in het

bijzonder de trekkrachten die een verbinding opentrekken, moeten worden

vermeden.

- Er dient gestreefd te worden naar gelijkmatige spanningsverdelingen en

voldoende vervormingscapaciteit. Het laatste kan worden bereikt door de

bezwijksterkte van de verbinding groter te kiezen dan de vloeikracht van de

aansluitende doorsnede.

In Annex M van Eurocode 9, Part 1.1 zijn richtlijnen voor de dimensionering van

gelijmde verbindingen opgenomen.

22

4.5 Geëxtrudeerde verbindingen

Geëxtrudeerde verbindingen zijn verbindingen die met behulp van een speciale

extrusievorm worden gerealiseerd. Het betreft vaak klik- en klemverbindingen. Deze

verbindingen kunnen geen krachten opnemen in de extrusierichting. Wel is het mogelijk

om daarvoor een lijmverbinding toe te passen, omdat optredende schuifkrachten

uitstekend door de lijm opgenomen kunnen worden ( zie 4.4). Loodrecht op de

extrusierichting kunnen door de klik- of klemverbinding wel krachten worden

opgenomen. De sterkte van de verbindingen is echter sterk afhankelijk van de toegepaste

doorsnedevorm. Er zijn dan ook geen rekenregels ter beschikking voor de toetsing van dit

soort verbindingen. Toetsing van dergelijke verbindingen dient door middel van

experimentele verificatie plaats te vinden.

4.6 Gegoten knooppunten

In ruimtelijke vakwerkconstructies worden soms gegoten knooppunten toegepast. Deze

knooppunten verbinden de verschillende staven die in een knooppunt samenkomen.

Gegoten knooppunten horen meestal bij een bepaald constructiesysteem. Een bekend

systeem is Mero. Vorm van de staaf en van de knoop zijn daarbij volledig op elkaar

afgestemd. Ook voor een aantal toepassingen van aluminium vakwerken is van dit

systeem gebruik gemaakt. Bekende toepassingen zijn: koepel overkappingen ( domes)

van opslagtanks, van sportaccommodaties e.d.

4.7 Hybride verbindingen

Hybride verbindingen zijn verbindingen waarin meerdere soorten verbindingsmiddelen

zijn toegepast in dezelfde aansluiting, bijvoorbeeld een combinatie van bouten en lassen.

Bij de berekening van de sterkte mag slechts één soort verbindingsmiddel in rekening

worden gebracht. Meestal is immers de vervormingscapaciteit/stijfheid van de diverse

verbindingsmiddelen zodanig verschillend, dat ze niet allemaal tegelijk effectief zijn.

Indien toch meerdere verbindingsmiddelen in rekening worden gebracht, zal moeten

worden aangetoond dat deze wel tegelijk effectief zijn. In dat geval mogen wel de

sterkten van de verschillende verbindingsmiddelen worden gesommeerd.

23

5. BOUTVERBINDINGEN, ONTWERP EN DIMENSIONERING

5.1 Inleiding

Boutverbindingen in aluminium worden zeer veel toegepast en hebben een aantal

voordelen ten opzichte van gelaste verbindingen t.w.:

- assemblage, zowel binnen als buiten; lassen van aluminium kan alleen binnen;

- geen warmte-inbreng in het aluminium, dus geen achteruitgang in sterkte-

eigenschappen;

- ook toepassingen van gecoate profielen mogelijk ( zie ook de gevelbouw);

- door slimme detaillering met moersleuven en speciale geëxtrudeerde

verbindingsprofielen is een eenvoudige, snelle assemblage mogelijk.

Allereerst wordt in dit hoofdstuk ingegaan op de constructieve eisen die aan een

boutverbinding worden gesteld en komen achtereenvolgens de bouten (typologie, sterkte

en krachtswerking op de verbinding) en het ontwerp van de verbinding aan de orde.

Vervolgens wordt als case een in de praktijk veel voorkomende, ligger-kolom verbinding

verder uitgewerkt.

Zowel een scharnierende verbinding (of ook wel dwarskracht verbinding genoemd) als

een ( flexibele) momentverbinding. Ter vergelijking is gekozen voor een veel toegepaste,

standaard kopplaatverbinding in staal en een alternatieve, geheel met bouten uitgevoerde

verbinding in aluminium.

Bij de keuze van de staal profielen is uitgegaan van een HEA 220 standaardprofiel, zowel

voor de kolom als voor de ligger, terwijl voor aluminium voor de kolom van een I profiel

en voor de ligger van een koker profiel is uitgegaan. De afmetingen van de aluminium

profielen zijn zodanig gekozen dat de buigstijfheid gelijk is aan de buigstijfheid van de

stalen HEA 220 profielen.

Deze uitgewerkte case kan als representatief worden gezien voor andere combinaties van

ligger- kolom profielen, zoals de serie aluminium profielen, die vallen onder de beoogde

aluminium profielen standaardisatie.

5.2 Typologie bouten

De meest toegepaste bouten in bouwconstructies zijn bouten zonder voorspanning in

ruime gaten (d.w.z. de diameter van het gat is meestal 2 mm groter dan de boutdiameter,

tenzij anders is voorgeschreven) en voorspanbouten. In sommige gevallen worden ook

wel pasbouten en injectiebouten toegepast. In draagconstructies worden in de praktijk

veelal gegalvaniseerde, hoge sterkte (sterkteklasse 8.8 of 10.9) stalen bouten toegepast.

Wanneer een zeer corrosievaste verbinding is vereist, worden ook roestvast stalen bouten

toegepast. In Eurocode 9, Part 1.1 worden rekenregels gegeven voor aluminium bouten

en klinknagels, stalen bouten en roestvast stalen bouten. In het vervolg van dit hoofdstuk

wordt echter uitgegaan van (gegalvaniseerde) stalen bouten. Die worden in de praktijk

van aluminium bouwconstructies het meest toegepast en bovendien maakt dat de

vergelijking met een soortgelijke verbinding in een staalconstructie mogelijk, zie

hoofdstuk 5.6.

24

5.3 Sterkte van de bouten

De sterkteklasse van een staalbout wordt aangeduid met twee cijfers, die van elkaar

worden gescheiden door een punt. Uit deze cijfercombinatie kunnen de sterkte-

eigenschappen worden afgeleid. Het eerste cijfer vermenigvuldigd met 100 is de

treksterkte van het boutmateriaal. De vloeigrens of 0,2% rekgrens wordt gevonden door

het tweede cijfer te delen door 10 en daarna te vermenigvuldigen met de treksterkte.

Voor draagconstructies in gebouwen wordt in het algemeen klasse 8.8 gebruikt voor

verbindingen in ruime gaten en klasse 10.9 voor verbindingen met voorspanbouten. De

bijbehorende sterkte-eigenschappen zijn:

klasse 8.8:

- treksterkte ft;b;d = 8⋅100 = 800 N/mm2

- vloeigrens fy;b;d = 0,8⋅800 = 640 N/mm2

klasse 10.9:

- treksterkte ft;b;d = 10⋅100 = 1000 N/mm2

- vloeigrens fy;b;d = 0,9⋅1000 = 900 N/mm2

5.4 Krachtswerking op de verbinding

Een verbinding, waarbij de bouten niet zijn voorgespannen, kan in principe worden belast

op: afschuiving, buiging en/of axiale belasting. Deze krachtswerking moet worden

vertaald naar krachten op de afzonderlijke bouten, die daardoor belast kunnen worden op

afschuiving, trek, of een combinatie van beide. De voor de verbinding maatgevende

bout(en) worden dan met de rekenregels volgens Eurocode 9 getoetst.

Rekenregels voor geboute verbindingen zijn gegeven in tabel 8.5 van Eurocode 9, Part

1.1. Bij een op afschuiving belaste bout is daarbij het aantal schuifvlakken relevant (zie

afbeelding 7). Bij een enkelsnedige uitvoering is de belasting op de boutsteel twee keer

zo hoog als bij een dubbelsnedige uitvoering. Bovendien is de schuifcapaciteit lager,

wanneer het schuifvlak door de schroefdraad gaat in plaats van door de volle

steeldoorsnede. Naast afschuiving van de bout moet ook stuik van het moedermateriaal

ter plaatse van het boutgat worden gecontroleerd. In tabel 8.5 van Eurocode 9, Part 1.1 is

daarvoor een afzonderlijke rekenregel opgenomen.

Voor een op trek belaste bout is de spanningsdoorsnede As gedefinieerd als een gewogen

gemiddelde tussen de volle steeldoorsnede en de minimale doorsnede ter plaatse van de

schroefdraad. Deze spanningsdoorsnede is verwerkt in de rekenregels in Eurocode 9, Part

1.1, tabel 8.5. De bezwijkmogelijkheden van een boutverbinding, zoals die met de hiervoor beschreven

rekenregels dienen te worden getoetst, zijn tevens weergegeven in afbeelding 9.

25

Afbeelding 7. Invloed aantal schuifvlakken op afschuifkracht per bout

5.5 Ontwerp van de verbinding

Veelal worden bouten volgens een rechthoekig raster geplaatst. Van belang zijn de

afstanden tussen de bouten onderling (steek s1 en tussenafstand s2) en de afstanden van de

bouten tot de rand van de te verbinden onderdelen (eindafstand e1 en randafstand e2).

In afbeelding 8 zijn deze notaties duidelijk weergegeven. In Eurocode 9,Part 1.1, tabel 8.2 zijn minimum, normale, en maximum waarden voor deze afstanden gegeven; met

name de minimum afstanden hebben een belangrijke invloed op de sterkte van de

verbinding, hetgeen in de rekenregels is verdisconteerd.

Afbeelding 8. Definitie van randafstand, eindafstand, tussenafstand en steek

De plaatsing van de bouten is van belang voor de controle op stuiken van het

moedermateriaal. In principe worden met de stuikformules uit Eurocode 9, Part 1.1, tabel

8.5, ook andere bezwijkmogelijkheden gecontroleerd. Dit betreft het uitschuiven van het

plaatmateriaal, het splijten van het plaatmateriaal, en het stuiken van het boutmateriaal.

Dit laatste is uiteraard alleen van belang indien het boutmateriaal minder sterk is dan het

moedermateriaal. De plaatsing van de bouten is ook van invloed op de doorsnede van het

plaatmateriaal, die resteert voor het overbrengen van de kracht. Dit wordt de netto

doorsnede genoemd, i.e. de bruto doorsnede minus de aanwezige boutgaten. De diameter

van bouten in ruime gaten is in het algemeen 2 mm groter dan de boutdiameter (dg = db +

2 mm). In sommige gevallen is een geringere gatspeling gewenst en kan dan worden voorgeschreven. Dit heeft echter geen consequenties voor de sterkte van de verbinding.

26

Afbeelding 9. Bezwijkmogelijkheden van een boutverbinding

5.6 Case: ligger-kolomverbinding

In de praktijk van staalconstructies, maar ook van aluminiumconstructies, is een ligger-

kolom verbinding een veel voorkomend type verbinding. Te denken valt daarbij aan

raamwerken van gebouwen, aan gevelconstructies e.d.

Als case is daarom gekozen voor twee typen verbindingen in staal, een scharnierende

verbinding en een momentverbinding, waarvoor standaard oplossingen bestaan. Deze

worden vergeleken met alternatieve, geheel geboute verbindingen in aluminium.

5.6.1 Toetsing van een geboute dwarskrachtverbinding

Dwarskrachtverbindingen of ook wel scharnierende verbindingen genoemd, zijn

verbindingen die in de praktijk het meest worden toegepast. Bij dit type verbinding hoeft

in het algemeen slechts een toetsing op dwarskracht te worden uitgevoerd. In het

algemeen zal een toetsing van de bouten op afschuiving volstaan. Behalve de bouten

dient ook stuik van de platen en dient de netto-doorsnede te worden gecontroleerd, zoals

eerder in 5.5 is gememoreerd.

5.6.1a Standaard verbinding in staal

Gegeven is een ligger bestaande uit een HEA 220 in staal S235 belast door een

dwarskracht Fd = 140 kN. Deze ligger is middels een veelvoorkomende

kopplaatverbinding (een 10 mm dikke en 150 mm hoge schetsplaat in S235 met

hoeklassen verbonden aan het lijf van de ligger) met zes bouten M12 (klasse 8.8) in

ruime gaten verbonden aan een kolom HEA 220 (afbeelding 10). De geboute verbinding

moet worden getoetst volgens de rekenregels in Eurocode 3. De bouten zelf moeten

worden getoetst op afschuiving.

27

Afbeelding 10. Standaard geboute stalen ligger-kolomverbinding

Er zijn zes bouten met elk één afschuifvlak. Gevonden wordt:

Fv;u;d = 6.1.(0,48ft;b;dAb;s) = 6.1.(0,48.800.84) N = 193,5 kN

Fv;s;d/Fv;u;d = 140/193,5 = 0,72 < 1 (voldoet)

Andere toetsingen, zoals stuik van de schetsplaat en afschuiving van de netto

liggerdoorsnede, worden hier achterwege gelaten. 5.6.1b Alternatieve verbinding in aluminium

Gegeven is een aluminium kokerligger (afmetingen zie afbeelding 11) in legering 6082-

T6 belast door een dwarskracht Fd = 140 kN. Deze ligger is middels een speciaal

geëxtrudeerd U-profiel met in de flenzen meegeëxtrudeerde moersleuven verbonden aan

een I-vormige aluminium kolom, tevens in legering 6082- T6. De afmetingen zijn

zodanig gekozen dat de buigstijfheid van het kolomprofiel gelijk is aan de buigstijfheid

van het staalprofiel HEA 220 (zie ook 5.6.1a). Ook de aluminium kokerligger heeft

dezelfde buigstijfheid als de stalen HEA 220 ligger.

Twee gegalvaniseerd stalen M20 bouten (klasse 8.8) realiseren de verbinding tussen het

speciale verbindingsprofiel en de kolom. Acht gegalvaniseerd stalen M12 bouten (klasse

8.8) realiseren de verbinding tussen de ligger en het speciale verbindingsprofiel. De

28

geboute verbinding moet worden getoetst volgens de rekenregels in Eurocode 9. De

bouten zelf moeten worden getoetst op afschuiving.

Aluminium

Aluminium

Afbeelding 11. Alternatieve geboute aluminium ligger-kolomverbinding

Er zijn twee M20 bouten met elk één afschuifvlak. Gevonden wordt:

Fv;u;d = 2.1.(0,48ft;b;dAb;s) = 2.1.(0,48.800.245) N = 188 kN

Fv;s;d/Fv;u;d = 140/188 = 0,74 < 1 (voldoet) De twee keer vier M12 bouten worden op afschuiving belast door de excentriciteit van de

verbinding. Het hart van de twee moersleuven ligt op 70 mm afstand van de flens van het

kolomprofiel.

Fv;u;d = 4.1.(0,48ft;b;dAb;s) = 2.1.(0,48.800.84) N = 128 kN

Fv;s;d = (70/350).140 = 28 kN

Fv;s;d/Fv;u;d = 28/128 = 0,22 << 1 (voldoet)

In deze situatie had ook kunnen worden volstaan met één moersleuf.

5.6.2 Toetsing van een flexibele geboute momentverbinding

In tegenstelling tot de scharnierende verbinding, zoals besproken in 5.6.1, dient bij een

momentverbinding zowel de dwarskracht als het moment te worden overgedragen door

de verbinding. Dat betekent dat de bouten op trek, op afschuiving, en op combinaties van

trek en afschuiving dienen te worden getoetst.

5.6.2a Standaardverbinding in staal

Ft;u;d = 0,72ft;b;dAb = 0,72.800.113 N = 65 kN

28

Gegeven is een ligger bestaande uit een HEA 220 in S235 belast door een dwarskracht Fd

= 140 kN en een buigend moment Md = 50 kNm. Deze ligger is middels een uitstekende kopplaatverbinding met acht bouten M12 (klasse 8.8) in ruime gaten verbonden met een 10 mm dikke en 270 mm hoge schetsplaat (in S235) aan een kolom HEA 220 (afbeelding

12). De geboute verbinding moet worden getoetst volgens de rekenregels in Eurocode 3.

De bouten zelf moeten worden getoetst op afschuiving, trek en de combinatie

trek/afschuiving.

Afbeelding 12. Standaard geboute stalen ligger-kolomverbinding

Afschuiving

Er zijn acht bouten met elk één afschuifvlak. Gevonden wordt:

Fv;u;d = 8.1.(0,48ft;b;dAb;s) = 8.1.(0,48.800.84) N = 258 kN

Fv;s;d/Fv;u;d = 140/258 = 0,54 < 1 (voldoet)

Trek

Uitgaande van het drukpunt liggende ter plaatse van het hart van de onderflens van de

ligger, is de trekkracht in de bouten in het uitstekende deel van de kopplaat maatgevend.

29

Ft;s;d = 0,5 (50.106) . 220,5 / (220,5

2 + 168,5

2 + 243,5

2 + 30,5

2) N = 40 kN


Trek en afschuiving

0,54 + 0,62/1,4 = 0,54 + 0,44 = 0,98 < 1 (voldoet)

5.6.2b Alternatieve verbinding in aluminium

Gegeven is een aluminium kokerligger (afmetingen zie afbeelding 13) in legering 6082

T6 belast door een dwarskracht Fd = 140 kN en een buigend moment Md = 50 kNm. Deze

ligger is middels een speciaal geëxtrudeerd verbindingsprofiel met meegeëxtrudeerde

moersleuven, zie afbeelding 13, verbonden aan een I-vormige aluminium kolom,

eveneens in legering 6082 -T6. De afmetingen zijn wederom zodanig gekozen dat de

buigstijfheid van het kolomprofiel gelijk is aan de buigstijfheid van het staalprofiel HEA

220. Ook de aluminium kokerligger heeft dezelfde buigstijfheid als de stalen HEA 220

ligger, zie ook 5.6.2a.

Vier gegalvaniseerd stalen M16 bouten (klasse 8.8) realiseren de verbinding tussen het

speciale verbindingsprofiel en de kolom. Acht gegalvaniseerd stalen M16 bouten (klasse

8.8) realiseren de verbinding tussen de ligger en het speciale verbindingsprofiel. De

geboute verbinding moet worden getoetst volgens de rekenregels in Eurocode 9. De

bouten zelf moeten worden getoetst op afschuiving, trek, en de combinatie

trek/afschuiving.

Aluminium

Aluminium

Afbeelding 13. Alternatieve geboute aluminium ligger-kolomverbinding

Afschuiving

30

Er zijn vier M16 bouten met elk één afschuifvlak. Gevonden wordt:

Fv;u;d = 4.1.(0,48ft;b;dAb;s) = 4.1.(0,48.800.157) N = 241 kN


De twee keer vier M16 bouten worden op afschuiving belast door het buigend moment en

door de excentriciteit van de verbinding:

Fv;u;d = 4.1.(0,48ft;b;dAb;s) = 4.1.(0,48.800.157) N = 241 kN

Fv;s;d = 50.106/350 + (70/350).140 N = 143+28 = 171 kN


Trek

Uitgaande van het drukpunt liggende ter plaatse van het hart van de onderflens van het

verbindingsprofiel, is de trekkracht in de bout in bovenste deel van de verbinding

maatgevend.

Ft;u;d = 0,72ft;b;dAb) = 0,72.800.201 N = 115 kN

Ft;s;d = 0,5 (50.106)/(350-4,5+50) N = 63,2 kN

Fv;s;d/Fv;u;d = 63,2/115 = 0,55 < 1 (voldoet)

Trek en afschuiving

0,58 + 0,55/1,4 = 0,58 + 0,39 = 0,97 < 1 (voldoet)

31

6. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 6.1 Conclusies

Verbindingen in het algemeen zijn belangrijk, niet in de laatste plaats, omdat ze een

aanzienlijk deel van de kosten van een constructie uitmaken. Boutverbindingen in

aluminium zijn belangrijk, omdat ze het enige alternatief voor assemblage op de

bouwplaats zijn, aangezien lassen van aluminium buiten geen alternatief is. Daarnaast is

door toepassing van geboute verbindingen ook het gebruik van gecoate profielen

mogelijk.

Met standaardisatie van aluminium profielen in een beperkte reeks, waarbij is gekeken

naar profielen met eenzelfde buigstijfheid als veelvoorkomende staalprofielen, is het

mogelijk om eenvoudige, snelle ligger-kolom verbindingen te realiseren die dezelfde

sterkte en stijfheid hebben als standaard ligger-kolom verbindingen in staal.

Om dat te illustreren is een case uitgewerkt, waarbij voor twee typen ligger-kolom

verbindingen, een dwarskrachtverbinding en een momentverbinding, voor een

willekeurig gekozen combinatie van profielen.

Echter, de case is representatief voor andere combinaties van profielen, zoals de

aluminium profielen die als alternatief zijn aangegeven voor veel gebruikte I- en H-

profielen in staal, zie ook AC rapport “Standaardisatie van aluminium profielen”. Voor

elke combinatie van profielen dient een bijbehorend aluminium verbindingsprofiel te

worden geëxtrudeerd.

6.2 Aanbevelingen

Aanbevolen wordt om een beperkte serie, standaard aluminium profielen te ontwikkelen

met bijbehorende, standaard aluminium verbindingsprofielen, waarmee scharnierende- en

momentverbindingen kunnen worden gerealiseerd. De verbindingsprofielen dienen qua

afmetingen afgestemd te zijn op de te verbinden (ligger)profielen en de moersleuven

dienen qua afmetingen te voldoen aan de bouten die worden toegepast. Ook daarin kan

worden gestandaardiseerd te weten: voor kleinere profielen standaard kleinere bouten

bijv. M12 en voor grotere profielen standaard grotere bouten bijv. M16 of M20.

Afhankelijk van de over te dragen krachten in de verbinding kan het aantal bouten

worden aangepast.

In dit rapport is uitgegaan van statisch belaste verbindingen en zijn de rekenregels van

Eurocode 9, Deel 1.1 toegepast. Echter, die rekenregels zijn bedoeld om de sterkte te

toetsen. Indien de stijfheid van de verbinding van belang, zoals bij momentverbindingen

verdient het aanbeveling om één en ander (experimenteel) te verifiëren, zeker in het geval

van de aluminium verbinding, zoals die in 5.6.2b is toegepast.

Bekend is dat verbindingen met voorspanbouten een zeer goed vermoeiingsgedrag

vertonen. Indien een volledig geboute verbinding zou worden overwogen in op

vermoeiing belaste constructies, is een experimentele verificatie aan te bevelen.

32

7. REFERENTIES

[1] TALAT Training in Aluminium Application Technologies, ATP-Aluminium

Training Partnership, 1994

[2] NEN 6702, TGB 1990 Belastingen en vervormingen, NNI, 1e druk, december

1991

[3] NEN 6710, TGB 1990 Aluminiumconstructies – Basiseisen en basisrekenregels

voor overwegend statisch belaste construciies, NNI, 1e druk, december 1991

[4] NEN 6770, TGB 1990 Staalconstructies – Basiseisen en basisrekenregels voor

overwegend statisch belaste constructies, NNI, 1e druk, december 1991

[5] NEN 6771, TGB 1990 Staalconstructies – Stabiliteit, NNI, 1e druk, december

1991

[6] EN 1991-1-1 Eurocode 1: Basis of design and actions on structures

[7] EN 1999-1-1 Eurocode 9: Design of aluminium structures,

Part 1.1: General rules and rules for buildings;

Part 1.2: Structural Fire design;

Part 1.2: Structures susceptible to fatigue

[8] Soetens, F., Van Hove, B.W.E.M, Bouwen met aluminium, Collegedictaat 7340,

T.U. Eindhoven, april 1997

[9] Hydro Aluminium Profiler, Standard sections, december 1995

Standaard isatie a lum niumprofie e voor

Documents

Transcript of Standaard isatie a lum niumprofie e voor