Sterkteberekening staalconstructie voor aardbeving
Sterkteberekening staalconstructie voor aardbeving was de vraag van een belangrijke internationale speler in de paneelbouw en besturingstechnieken. Voor een project in de omgeving van Rome moest worden aangetoond dat een stalen draagconstructie voor meerdere elektrische schakel- en verdeelkasten bestand is tegen de optredende seismische belastingen.
Een sterkteberekening van een staalconstructie is in veel gevallen bedoeld om aan te tonen dat een constructie bestand is tegen de belastingen tijdens normaal gebruik. Soms gelden echter aanvullende eisen. Bijvoorbeeld wanneer een constructie wordt geplaatst in een gebied waar rekening moet worden gehouden met een aardbeving.
Met behulp van een geavanceerde FEM-analyse is onderzocht hoe de staalconstructie zich gedraagt onder seismische belasting. Daarbij zijn niet alleen de optredende spanningen beoordeeld, maar ook de vervormingen, de stijfheid van de constructie en de krachten in de verankeringen.
Een aardbeving belast een constructie anders
Een staalconstructie die in Nederland wordt toegepast, hoeft meestal alleen bestand te zijn tegen het eigen gewicht, de gebruiksbelasting en eventueel windbelasting. In een aardbevingsgebied komen daar extra belastingen bij.
Tijdens een aardbeving beweegt de ondergrond plotseling in verschillende richtingen. Door de massa van de constructie en de daarop gemonteerde apparatuur ontstaan traagheidskrachten die aanzienlijk hoger kunnen zijn dan tijdens normaal gebruik.
Juist bij installaties met zware elektrische schakelkasten kunnen deze extra belastingen bepalend zijn voor het ontwerp. Een constructie die onder normale omstandigheden ruimschoots voldoet, kan onder seismische belasting een heel ander spannings- en vervormingsbeeld laten zien.
Een sterkteberekening voor aardbeving geeft daarom inzicht in de werkelijke veiligheid van de constructie voordat deze wordt geproduceerd en geïnstalleerd.
Sterkteberekening staalconstructie
voor aardbeving in Italie Rome
De opdracht betrof het maken van een Sterkteberekening staalconstructie voor aardbeving. De staalconstructie gungeert als een draagconstructie waarop meerdere elektrische schakel- en verdeelkasten worden gemonteerd. De complete installatie wordt opgesteld op een betonnen vloer en via de voetconstructie mechanisch verankerd.
Op het eerste gezicht lijkt het een relatief eenvoudige staalconstructie. Toch vraagt een dergelijke constructie om een zorgvuldige beoordeling wanneer deze wordt blootgesteld aan aardbevingsbelasting.
Niet alleen de sterkte van de profielen is van belang. Ook de stijfheid van het frame, de belasting van de bevestigingspunten en de vervorming van de complete constructie spelen een belangrijke rol. Uiteindelijk moet de installatie tijdens een aardbeving veilig blijven functioneren.
Om die reden is gekozen voor een uitgebreide FEM-analyse van de complete staalconstructie.
Twee uitvoeringen met elkaar vergeleken
Een interessant onderdeel van deze opdracht was het vergelijken van twee verschillende uitvoeringen van dezelfde staalconstructie.
De eerste uitvoering was gebaseerd op het oorspronkelijke ontwerp. Bij de tweede uitvoering werden de verstelbare draadeinden met 200 mm verlengd.
Op het eerste gezicht lijkt dit een relatief kleine wijziging. In de praktijk kan een langere, slankere verbinding echter invloed hebben op de stijfheid van de constructie en daarmee ook op de spanningsverdeling en de optredende vervormingen.
Door beide varianten onder identieke belastingsomstandigheden door te rekenen, kon objectief worden vastgesteld welke gevolgen deze ontwerpwijziging had voor het constructieve gedrag.
De uitgangspunten van de sterkteberekening
Een betrouwbare sterkteberekening van een staalconstructie begint met een realistisch rekenmodel. Daarom zijn alle relevante eigenschappen van de constructie zorgvuldig in de analyse opgenomen.
Onder andere is rekening gehouden met:
- de volledige geometrie van de staalconstructie;
- het materiaal S235 constructiestaal;
- de massa van de elektrische schakelkasten;
- de positie van de zwaartepunten;
- de vloerverankering;
- de seismische versnelling behorend bij de projectlocatie;
- meerdere belastingsrichtingen.
Door al deze uitgangspunten te combineren ontstaat een betrouwbaar beeld van de belastingen die tijdens een aardbeving kunnen optreden.
Bewust is gekozen voor een conservatieve benadering. Eventuele extra stijfheid van de gemonteerde schakelkasten of de uiteindelijke inbouw is niet meegenomen. Hierdoor wordt de staalconstructie zelfstandig beoordeeld en ontstaat een veilige uitgangssituatie.
FEM-analyse geeft inzicht in het constructieve gedrag
Voor deze opdracht is gebruikgemaakt van Autodesk Inventor Nastran. Met behulp van de Finite Element Method (FEM) wordt een constructie opgedeeld in duizenden kleine elementen, waardoor spanningen en vervormingen zeer nauwkeurig kunnen worden berekend.
Een belangrijk voordeel van een FEM-analyse is dat niet alleen zichtbaar wordt waar de hoogste spanningen optreden, maar ook hoe de complete staalconstructie zich gedraagt.
Zo ontstaat inzicht in onder andere:
- de spanningsverdeling;
- de vervormingen;
- de belasting van de verankeringen;
- de stijfheid van de constructie;
- de kritische locaties binnen het ontwerp.
Juist bij complexe staalconstructies levert deze informatie veel meer inzicht op dan met een traditionele handberekening mogelijk is.
Een goede sterkteberekening voorkomt verrassingen
Een sterkteberekening wordt vaak gezien als een controle achteraf. In de praktijk levert een berekening juist de meeste waarde op wanneer deze al tijdens de ontwerpfase wordt uitgevoerd.
Constructieve aandachtspunten komen dan vroeg aan het licht. Ontwerpwijzigingen kunnen nog eenvoudig worden doorgevoerd, zonder dat kostbare onderdelen opnieuw geproduceerd hoeven te worden.
Dat bespaart niet alleen tijd en materiaal, maar verkleint ook de kans op vertraging tijdens de montage of ingebruikname van de installatie.
Juist bij projecten waarbij constructies internationaal worden toegepast, is een goed onderbouwde sterkteberekening vaak een belangrijk onderdeel van het engineeringproces.
Praktijkervaring maakt het verschil,
ook bij het maken van een sterkteberekening staalconstructie voor aardbeving
Iedere staalconstructie is anders. De afmetingen, belastingen, materiaalkeuze en gebruiksomstandigheden verschillen van project tot project. Daarom bestaat er geen standaardberekening die voor iedere situatie toepasbaar is.
Bij De Jong Werktuigbouw wordt iedere sterkteberekening opgebouwd vanuit de werkelijke toepassing van de constructie. Niet alleen de normen zijn daarbij belangrijk, maar ook praktische ervaring in de werktuigbouwkundige constructieleer en eindige-elementenanalyse.
Juist die combinatie maakt het mogelijk om betrouwbare constructieve onderbouwingen te leveren voor uiteenlopende toepassingen in de machinebouw, apparatenbouw en staalconstructies.
Ook een sterkteberekening staalconstructie voor aardbeving nodig?
Wilt u vooraf zekerheid over de veiligheid van een staalconstructie? Of wilt u weten hoe een constructie zich gedraagt onder aardbevingsbelasting, windbelasting of andere complexe belastingen?
De Jong Werktuigbouw ondersteunt bedrijven met onafhankelijke sterkteberekeningen, FEM-analyses en constructieve beoordelingen voor uiteenlopende werktuigbouwkundige toepassingen.
Neem gerust contact op om de mogelijkheden voor uw project te bespreken.