Rekenregels en ontwerprichtlijnen voor houtverbindingen
In het voorgaande is duidelijk gemaakt dat het toepassen van afstandhouders in de houtverbinding er voor zorgt dat permanente vochtbelasting wordt tegengegaan doordat verbindingen kunnen droogwaaien en hout-op-hout contact vermeden wordt. In 4.2.8 is een voorbeeld gegeven van leuningbalusters die met afstandhouders gemonteerd zijn. In paragraaf 4.3. zijn nog meer voorbeelden gegeven van duurzame detaillering.
Rekenregels voor verbindingen
Voor de dimensies van een houtconstructie zijn de verbindingen vaak maatgevend. In het rekenkundig ontwerp kan dan ook niet worden volstaan met uitsluitend het dimensioneren van de ligger- of staaf afmetingen maar dient expliciet aandacht te worden geschonken aan de berekening van de verbindingen tussen de elementen.
In Eurocode 5 (NEN-EN 1995 serie) zijn in hoofdstuk 8 rekenregels gegeven voor het ontwerp van houtverbindingen. De rekenregels behandelen de sterkte van op afschuiving belaste stiftvormige metalen verbindingsmiddelen van hout-op-hout en staal-op-houtverbindingen:
[ link ]
Figuur 4.36 Bezwijkmechanismen bij hout-op-hout verbindingen (Figuur 8.2 uit NEN-EN 1995-1-1)
[ link ]
Figuur 4.37 Bezwijkmechanismen voor een staal-op-hout verbinding (Figuur 8.3 uit NEN-EN 1995-1-1)
De huidige versie van de norm geeft echter geen rekenregels voor verbindingen met afstandhouders. Totdat deze worden opgenomen in een nieuwe versie van de norm, kan gebruik gemaakt worden van de volgende publicatie: Blaß HJ, Laskewitz B (2000) Load-carrying capacity of joints with dowel-type fasteners and interlayers. CIB-W18 Meeting 33, Paper 33-7-6, Delft, Netherlands. In deze publicatie zijn de vergelijkingen uit Eurocode 5 op basis van de theorie van Johansen opnieuw afgeleid voor verbindingen met een tussenlaag of tussenruimte:
[ link ]
Figuur 4.38 Faalmechanismen voor hout-op-hout verbindingen met losse tussenlaag (Blaß en Laskewitz)
Naast de bovenstaand getoonde faalmechanismen hebben Blaß en Laskewitz ook rekenregels afgeleid voor staal-op-hout verbindingen met tussenlaag, en verbindingen met een aan het hout verbonden tussenlaag.
Lossnijden van de verbinding
Het is nuttig op deze plaats nog kort de berekeningswijze te schetsen van een verbinding tussen 2 palen en een klos met tussenringen door middel van het ‘lossnijden van de verbinding’.
Uit de statica is bekend dat op elk voorwerp dat in rust is er netto geen krachten of momenten werken. Dit principe wordt gebruikt in de methode van het lossnijden: ook op een onderdeel van een voorwerp dat in rust is werken netto geen krachten of momenten. Het volgende, sterk vereenvoudigde voorbeeld dient als illustratie. Beschouw de door klossen verbonden palen in figuur 4.39. Dit is een veelvuldig in de praktijk voorkomende constructie. In figuur 4.39 zijn tussenringen met diameter dr en dikte r aangebracht om de verbinding te ventileren en de duurzaamheid ervan te verhogen. In het rechterdeel van figuur 4.39 is de klos uit de verbinding losgesneden en zijn de hierop werkende krachten aangegeven, hetgeen het detail voor berekening toegankelijk maakt.
[ link ]
Figuur 4.39 Door klossen verbonden staaf met tussenringen.
De component FII wordt opgenomen door de verbindingsmiddelen waarvan de sterkte wordt berekend met de vergelijkingen uit Eurocode 5. De component F⊥ wordt opgenomen door druk loodrecht op de houtvezel onder de tussenring en door druk loodrecht op de houtvezel onder de volgring. De componenten FII en F⊥ kunnen worden bepaald met het momentevenwicht om punt (A) te beschouwen. Dit resulteert in F⊥ = (t2 / a3) · FII
Figuur 4.40 toont dezelfde verbinding zonder tussenringen, hetgeen altijd de standaard uitvoering is geweest. De component FII wordt opgenomen door de verbindingsmiddelen waarvan de sterkte wordt berekend met de in Eurocode 5 opgenomen formules. Het momentevenwicht rond de losgesneden klos levert de component F⊥ = (3 t2 / 2 h2) · FII welke wordt opgenomen door druk loodrecht op de houtvezel onder de volgring.
[ link ]
Figuur 4.40 Door klossen verbonden staaf zonder tussenringen.
In het in figuur 4.40 aangegeven krachtenspel levert de wrijving in het contactvlak een aanvullende kracht evenwijdig aan FII , die geacht wordt mede in rekening te zijn gebracht via de koordwerking zoals deze is verwerkt in de vergelijkingen van Eurocode 5.
Bovenstaand vergelijk laat zien dat voor a3 ≈ 2/3 · h2 geldt dat de sterkte van de verbinding niet afneemt door het toepassen van afstandhouders. Samengevat is de methode van lossnijden een eenvoudig hulpmiddel voor de verdere analyse van een verbinding.
Randafstanden in hout
Naast de rekenregels voor de sterkte van verbindingsmiddelen zijn in Eurocode 5 ook ontwerpregels gegeven voor de eind-, rand- en tussenafstanden van stiftvormige verbindingsmiddelen in hout:
- Eindafstand (axiaal) 2 ≥ 7 · (bout)diameter;
- Onderlinge afstand evenwijdig aan de houtvezel 2 ≥ 7 · (bout)diameter.
- Onderlinge afstand loodrecht op de houtvezel 2 ≥ 4 · (bout)diameter.
- Randafstand (⊥ op de vezel) 2 ≥ 4d (belast) of 3d (onbelast).
Het voorschrijven van deze minimumwaarden voorkomt bezwijken door het ‘uitscheuren’ van een belast balkeinde, veroorzaakt door lage schuifsterkte (voor waterbouwkundige loofhoutsoorten fv;k ≈ 4 à 8 N/mm2) en door lage treksterkte loodrecht op de houtvezel (voor waterbouwkundige loofhoutsoorten ft;90;k ≈ 0,6 N/mm2).
“Luchtig detailleren” en afstandhouders
Omdat het ‘luchtig detailleren’ van invloed is op de levensduur van de constructie en de kosten van de afstandhouders zelf verwaarloosbaar zijn, dient de toepassing van afstandhouders altijd overwogen te worden in het ontwerp. Bepalend voor een succesvolle implementatie in het ontwerp is de kennis van constructeur en tekenaar van ‘duurzaam detailleren’. Hiervoor is een goede kennis van de opbouw van de verbinding en het gedrag van de verschillende componenten noodzakelijk.
Ambachtelijke verbindingen
Naast de in het voorgaande vermelde ontwerprichtlijnen voor stiftvormige verbindingsmiddelen zijn in Eurocode 5 ook rekenregels opgenomen voor de sterkte van ambachtelijke verbindingen (ook wel timmermansverbindingen). Voor de stijfheid van deze verbindingen in een raamwerk (bijvoorbeeld een sluisdeur) kan gebruik worden gemaakt van de publicatie ‘Analysis and strengthening of carpentry joints’ van Branco en Descamps in Constructin and Building Materials 97 (2015) p 34 -37.
[ link ]
Figuur 4.41 Voorbeeld van een gecombineerde tand- en hieltandverbinding (Figuur NB.6 uit NEN-EN 1995-1-1) .
Innovatieve methoden voor sterkere verbindingen
Door houten elementen te versterken met volle draadschroeven of ingelijmde staven kan de dwarskrachtsterkte worden verhoogd. Dit is bijvoorbeeld een nuttige methode ter plaatse van inkepingen of sparingen in liggers. Dwarskrachtversterkers kunnen worden berekend conform DIN-EN 1995-1-1.
Doordat in de houtindustrie steeds meer gebruik wordt gemaakt van CAD-CAM en CNC gestuurde boor- en freesrobots ontstaan ook mogelijkheden voor kostenefficiënt uitvoeren van verfijnde verbindingsgeometrieën. Uit onderzoek aan TUDelft blijkt dat een afrondingsstraal in de interne hoek van een verbinding een significante toename in sterkte geeft. Verder onderzoek is nog nodig om tot een rekenregel te komen.
[ link ]
Figuur 4.42 Dwarskrachtversterking in ingekeepte ligger (Figuur NA.9 NA 2010-12 bij DIN-EN 1995-1-1)
[ link ]
Figuur 4.43 Toename in verbindingscapaciteit door toepassing van afgeronde hoek en/of volle draadschroef van een ingekeepte ligger (Koning, 2018).