6.3 Samenwerking van stalen ligger met betonnen rijvloer

6.3.1 Soorten deuvels

Er bestaan veel uitvoeringsvarianten van typen deuvels, zoals de stiftdeuvel, lusdeuvel, hoekprofieldeuvelblokdeuvel, etc. Het deuveltype dat verreweg het meest wordt toegepast is de stiftdeuvel.

 

Stiftdeuvel

Hoekprofieldeuvel

Lusdeuvel

 

 

 

 

 

 

Figuur 6.5

Voorbeelden van deuveltoepassingen.

Bij gebruik van deuvels moet gelet worden op eisen t.a.v.:

- ontwerpaspecten, zoals statische sterkte en vermoeiingssterkte (van zowel de deuvel als de flens van de stalen ligger)
- montageaspecten, zoals eisen plaatsing (in het bijzonder wanneer de deuvelverbinding als stabiliteitsvoorziening voor de flens van de stalen -
ligger wordt beschouwd).

De eisen opgesteld voor deuvels bij staalbeton bruggen zijn opgenomen in hoofdstuk 6 van ENV 1994-2:1997. Een belangrijk aspect bij gebruik van deuvels is de eis voor voldoende vervormingscapaciteit. In het vervolg van dit hoofdstuk wordt alleen ingegaan op de stiftdeuvel, omdat dit het meest voorkomende type is.
Een treffend voorbeeld van vervormingscapaciteit, te vergelijken met het gedrag bij stiftdeuvel- verbindingen, is de aansluiting van een stalen kolom aan een betonfundatie, waarbij de ankers op op afschuiving zijn belast.

 

Figuur 6.6

Voorbeeld van vervormingscapaciteit ankerbout en bezwijken van stiftdeuvel. (Verbinding op afschuiving belast).


6.3.2 Ontwerpaspecten stiftdeuvelverbinding

Statische sterkte

Uitgaande van een zeker gestandaardiseerd lasproces voor de bevestiging van de deuvel aan de flens wordt de rekenwaarde voor de statische sterkte van een stiftdeuvelverbinding bepaald door:

Afschuiven van de deuvel:

Verbrijzelen van het beton:

Met:
d = diameter van de deuvel 25 mm
fu = treksterkte van de deuvel ( 500 N/mm2)
a = 0,2((h/d)+1) voor 3 h/d 4
a = 1 voor h/d >4
h is de hoogte van de stiftdeuvel
g V = 1,25 bij ULS-toest (materiaalfactor voor stiftdeuvels).

Bij een betonkwaliteit hoger dan fck = 35 N/mm2, hetgeen veelal het geval zal zijn, blijkt dat afschuiving van de deuvel maatgevend is. Voor een stiftdeuvel ø 19 mm met fu = 450 N/mm2 wordt verkregen:

De algemene formule voor de schuifkracht per lengte is:

met:
nv = de schuifkracht per lengte-eenheid
Vd = rekenwaarde voor de dwarskracht
Sbeton = statisch moment van de betonnen rijvloer, rekening houdend met de meewerkende breedte beff en de n-factor
Idrsn = traagheidsmoment van de samengestelde doorsnede (I1,2,ts).

 

Rekenvoorbeeld

Uitgegaan wordt van een plaatliggerbrug met betonnen rijvloer.
De belastingfactoren en combinatiefactoren zijn reeds verwerkt in de gegeven dwarskracht c.q. normaalkracht.

Langdurende belasting (excl. krimp):

nlang = 20
Idrsn = 500 * 109 mm4
Sbeton = 400*104*350/20 = 70*106 mm3
Vd = 2000 kN (ligger uiteinde)
nv,lang = 280 N/mm

Kortdurende belasting:

nkort = 8
Idrsn = 750 * 109 mm4
Sbeton = 400*104*250/8 = 125*106 mm3
Vd = 8000 kN (ligger uiteinde)
nv,kort = 1334 N/mm

Krimp:

Nkrimp = 2000 kN

De kracht wordt ingeleid t.p.v. de liggeruiteinden over een lengte beff (meewerkende breedte betonnen rijvloer) volgens:

Temperatuurverschil:

Ntemp = 1300 kN

Op identieke wijze als bij krimp geldt:

De maximale schuifkracht per lengte-eenheid bedraagt:

Bij toepassing van stiftdeuvels ø 19 mm met fu = 450 N/mm2 geldt PRd = 82 kN.
Het aantal deuvels bedraagt aan het uiteinde van de ligger:

6.3.2.2 Vermoeiingssterkte

De wijze van beoordelen van de vermoeiingssterkte staat beschreven in ENV1992-2 art. 9.2.
De algemene procedure voor bepaling van de vermoeiingssterkte van stiftdeuvels is als volgt:
* bepaal, eventueel door gebruik te maken van invloedslijnen, de spanning s p,max ,t p,max en s p,min ,t p,min



* bepaal de referentie spanningsrange D
s p met
* bepaal de equivalente spanningsrange D
s E resp. D t E, ;



Hierin zit het optredende spanningsspectrum en gestandaardiseerd aantal wisselingen van 2*106 verwerkt.

met


en

met (voor bruggen met een overspanning max. ca. 80 m)

l "damage equivalence factor"

l 1 brengt het soort onderdeel in rekening (invloedslijnparameter);

De belangrijkste parameter hierbij is de in rekening te brengen lengte.
(Zie figuur 9.2 van ENV 1993-2: 1997).

l 2 brengt het transportvolume in rekening volgens de relatie (uitsluitend geldig voor deuvels):

Qm1 = het gemiddelde transportgewicht (rijstrook langzaam verkeer)
N0bs = het aantal transporten (rijstrook langzaam verkeer per jaar).

 Voor vermoeiingsanalyse belastingmodel 3 geldt:

Q0 = 480 kN

N0 = 0,5*106

l 3 brengt de ontwerplevensduur van de brug in rekening volgens de relatie:

tLd = de ontwerplevensduur van de brug.

l 4 brengt in rekening het zwaar verkeer op andere rijstroken dan de rijstrook voor zwaar verkeer.

De waarde voor l max is afhankelijk van de overspanning en doorsnede locatie (veldmidden, steunpunt) en varieert van ca. 1,6 tot 2,7.

Voorts moet conform ENV 1994-2:1997 gerekend worden met een toeslagfactor D j fat wanneer de dwarskracht wordt berekend veroorzaakt door verkeer nabij een voegovergang en een toeslagfactor j fat voor het in rekening brengen van oppervlakte- kwaliteit rijdek.

Voor toetsen van de vemoeiingssterkte wordt onderscheid gemaakt of de plaat (flens) waaraan de deuvel is gelast wel of niet veroorzaakt door buiging en/of normaalkracht op trek wordt belast

 

* als de maximum spanning in de flens s p,max druk is (behorende bij belastingmodel: karakteristieke belasting): .

Veronderstel dat bezwijken van een deuvel geen consequentie heeft t.a.v. bezwijken van de brug, dan geldt g Mf = 1.00

D t c = 95 N/mm2, de referentiewaarde behorende bij Nc = 2 * 106 wisselingen.

Enige toelichting hierop.
De vermoeiingssterkte voor de stiftdeuvelverbinding, uitgaande van normaal beton, wordt bepaald door:

met:
N = aantal spanningswisselingen
m = 8 (hellingshoek-constante vermoeiingscurve)
log10 a = 22,123
D t R = schuifspanningsinterval.

 

 

 

 

 

 



Figuur 6.7

Vermoeiingssterkte stiftdeuvel bij staalbeton brug.

 

* als de maximum spanning in de flens s p,max trek is (behorende bij belastingmodel: infrequente
belasting):

- afzonderlijke toets van de deuvel


- afzonderlijke toets van de flens

De waarde voor D s c volgt uit art. 9.6.2.1. van ENV 1993-1-1:1992.

Het detail categorie stiftdeuvel flens:

D s c = 80 N/mm2, de referentiewaarde behorende bij Nc = 2 * 106 wisselingen.

- interactie deuvel - flens

De grootste waarde voor s p,max zal veelal niet tegelijkertijd optreden bij t p,max. Vandaar de interactieformules:


met:
D s E,c = spanningswisseling bij D t E

D t E,c = spanningswisseling bij D s E

Rekenvoorbeeld

Gegeven:
- ligger statisch bepaald opgelegd: l 1 = 1,55
- verdeling vrachtverkeer l 4 = 1,00
- spanningsrange bij oplegging (afschuifkracht deuvel) D t p = 45 N/mm2
- het gemiddelde transportgewicht: Qm1 = 300 kN
- aantal transporten: N1 = 0,25E6
- ontwerplevensduur tLd = 50 jaar
- enkele rijstrook voor zwaar verkeer
- veroorzaakt door voegovergang: D j fat = 1,3
- stiftdeuvels geplaatst op bovenflens plaatligger.

Gecontroleerd wordt de vermoeiingssterkte van de stiftdeuvelverbinding nabij oplegging.

 De bovenflens boven de eindoplegging wordt nauwelijks belast. Daarbij komt ook nog dat er alleen sprake is van drukspanning. M.a.w. de aansluiting deuvel flens behoeft geen verdere controle.

6.3.2.3 Stiftdeuvels geplaatst op flens kokerligger

Wanneer de deuvels geplaatst zijn op een (brede) plaat i.p.v. een (smalle) flens, bijvoorbeeld bij een gesloten stalen koker met een betonnen rijvloer, moet volgens art. 7.7.4 van ENV 1994-2:1997 voor de SLS-toets gerekend worden met een niet gelijkmatige verdeling van deuvelkrachten over de dwarsdoorsnede.
Afschuifvervorming van de stalen plaat en het beton ligt hieraan ten grondslag.

 

 

 

 

 

 


Figuur 6.8

Definitie van notaties bij deuvels geplaatst op een brede plaat.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 






Figuur 6.10

Stiftdeuvels geplaatst op "smalle" bovenflens plaatligger (staalbeton brug Veghel): geen afschuifvervorming.

 

 

 

 




Figuur 6.9

Toepassing van stiftdeuvels op bovenflens koker (staalbeton brug bij Veghel):

afschuifvervorming.

De verdeling in dwarsrichting van een afschuifkracht VSd volgt uit de relatie:

met:
aw de grootste waarde van resp. 10tf en 200mm.
Voor de deuvels geplaatst binnen de afstand aw geldt x = 0.
 

Rekenvoorbeeld

b = 2600 mm
tf = 30 mm
VSd = 100 kN
nw = 4 stuks
n = 15 stuks
11 stuks geplaatst op afstanden van 250, 500, 750 mm etc. afstand vanaf het lijf.

De deuvelkracht verdeling volgt uit de eerder gegeven formule. De resultaten zijn weergegeven in figuur 6.11.

 

 

 

 




Figuur 6.11

Verdeling van deuvelkrachten a.g.v. afschuifvervorming.

  6.3.2.4 Geconcentreerde langskracht

Bij bijvoorbeeld een tuibrug zal t.p.v. de aansluiting tuikabel rijvloer sprake zijn van een geconcentreerde langskracht. De langskracht, gelijk aan de horizontaal ontbondene van de normaalkracht in de tuikabel, heeft een zeker traject nodig om zich in hoogterichting over de gehele staalbetondoorsnede te verdelen.

 

 

 

 

 

 




Figuur 6.12

Geconcentreerde krachtsinleiding t.p.v. de aansluiting tuikabel rijvloer.

Wanneer de bevestiging van de tuikabel in het beton is opgenomen, dan behoren de deuvels aldaar te worden gedimensioneerd op een langskracht Vl gelijk aan:

Een soortgelijke formule geldt voor de situatie wanneer de tuikabel aan de stalen ligger is bevestigd.

 

De stiftdeuvelkracht per lengte-eenheid volgt uit de relatie

met:
beff = effectieve breedte als berekend voor veldmidden;
ed = afstand afschuifvlak langskracht Fd.

A, I1 statische waarden samengestelde
doorsnede(equivalente staaldoorsnede);

Aa, Arc doorsnede van resp. stalen ligger
en betonnnen rijvloer

e afstand van neutrale lijn samengestelde
doorsnede naar aangrijpuntspunt Fd (positief
indien neergaand).

za afstand tussen neutrale lijn stalen ligger
samengestelde doorsnede

zrc afstand tussen neutrale lijn
betonnen rijvloer samengestelde doorsnede.

 

 

 Rekenvoorbeeld

Met:
Fd = 4000 kN; tuikabelbevestiging aan betonnen rijvloer
e = - 500 mm
beff = 5000 mm

volgt:
zrc = 559 mm en za = 905 mm

en

 6.3.3 Montageaspecten stiftdeuvels

De belangrijkste eisen die gesteld worden aan maatvoering bij stiftdeuvels, geplaatst op flenzen, zijn als volgt (maten in mm):

* Wanneer de deuvels aan de gedrukte bovenflens stabiliteit verlenen en daardoor de flens in profielklasse 2 valt, dan geldt:

* Voor de maximum h.o.h. afstand van de deuvels geldt:

* Voor de afstand tussen rand deuvel en vrije rand flens geldt:

* Voor de minimum h.o.h. afstand van de deuvels geldt:

- in lengterichting


- in dwarsrichting, afhankelijk van de hellingshoek f van de voute:

* Afhankelijk gesteld van de dikte van de flens stalen ligger geldt:

- indien de flens op trek wordt belast en onderhevig is aan wisselende belasting

- en voor de overige gevallen