Log in
inloggen bij Cement
Hulp bij wachtwoord
Geen account?
shop word lid
Home / Alle kennis / Artikelen

Ponsberekening nader beschouwd

Normbesef (1) Pieter Schoutens, Coen Hulsebosch - 5 mei 2023

Met dank aan ir. Thijs van den Bosch (voorheen werkstudent Witteveen+Bos, momenteel Dura Vermeer)

Bij het berekenen van de schuifspanning bij pons speelt de schuifspanningsvergrotingsfactor β een grote rol. Er bestaat de nodige onduidelijkheid over hoe deze factor bij rand- en hoekkolommen moet worden berekend, wat kan leiden tot onjuiste uitkomsten. In dit artikel wordt dit nader toegelicht en wordt een consistente methode geboden voor de bepaling van de factor β.

Nieuwe versie

Deze versie van het artikel is op 13 juli iets aangepast ten opzichte van de versie in Cement 2023/3. Specifiek gaat het om de subscripts y en z bij S, W, M en k.

Rubriek Normbesef

Dit is het eerste artikel in Cement-rubriek Normbesef. In deze rubriek kunnen lezers onduidelijkheden in de constructeurspraktijk, bijvoorbeeld in de regelgeving, aankaarten.
Let wel: hoewel de artikelen worden beoordeeld door experts, betreft het de persoonlijke interpretatie van de auteur. Aan de inhoud kunnen dan ook geen rechten worden ontleend. De artikelen geven ook niet altijd een antwoord of oplossing.
Het doel van de rubriek is de sector te informeren over onduidelijkheden in de norm en daarmee een discussie op gang te brengen. Dit kan leerzaam zijn, zo meent de redactie van Cement. Uiteraard voor de normcommissie, maar ook voor collega-constructeurs. Het uiteindelijke doel van de rubriek is meer duidelijkheid voor iedereen en in sommige gevallen misschien zelfs betere normen.
Een uitgebreidere toelichting op de rubriek staat in het artikel ‘Nieuwe rubriek over normen: Normbesef’ voorafgaand aan dit artikel.

Hebt u zelf ook een onderwerp voor deze rubriek, neem dan contact op met Jacques Linssen, j.linssen@aeneas.nl. Publicatie kan eventueel anoniem.

In EN 1992-1-1 art. 6.4 wordt beschreven hoe het bezwijkmechanisme pons moet worden getoetst. Gesteld wordt dat, wanneer de oplegreactie excentrisch is ten opzichte van de controle-omtrek, de maximale schuifspanning bepaald moet worden volgens formule 6.38:

νEd=βVEduid

Als gevolg van de excentrische ponsbelasting is de schuifspanning vEd niet uniform verdeeld over de controle-omtrek, maar krijgt deze een momentcomponent (fig. 1). Het effect hiervan wordt in rekening gebracht door middel van de schuifspanningsvergrotingsfactor β, te bepalen volgens formule 6.39:

β=1+kMEdVEdu1W1

Het handmatig bepalen van β blijkt in de praktijk vaak lastig en erg bewerkelijk. De Eurocode geeft daarom voor enkele standaardgevallen vereenvoudigde bepalingsmethodes voor β (zie hierna). De standaardgevallen zijn helaas zeer beperkt in hun toepassing en geven soms twijfelachtige resultaten. Vanwege hun eenvoud wordt er echter regelmatig ten onrechte op teruggegrepen, met potentieel onveilige ontwerpen tot gevolg.

Standaardgevallen volgens de Eurocode

Voor enkele standaardgevallen geeft de Eurocode een aantal bepalingsmethodes voor de β-factor, die zijn samengevat in tabel 1. De waarden voor k uit formule 6.44 kunnen bepaald worden volgens EN 1992-1-1 tabel 6.1 (tabel 2 in dit artikel).

Beperkingen volgens de Eurocode

Het is interessant te weten welke situaties niet voldoen aan de standaardgevallen uit de Eurocode en waarbij β dus met formule 6.39 moet worden bepaald:

  • controle-omtrekken op een afstand kleiner dan 2d (zoals bedoeld in EN 1992-1-1 art. 6.4.2 (2) en 6.4.4 (2));
  • controle-omtrekken met invloed van een naburige sparing in de plaat (zoals bedoeld in EN 1992-1-1 art. 6.4.2 (3));
  • rand- of hoekkolommen met een naar buiten gerichte excentriciteit;
  • rand- of hoekkolommen op enige afstand vanaf de plaatrand;
  • in alle voorgenoemde situaties waarbij bovendien figuur 6.21N niet mag worden toegepast.

De vraag of de excentriciteit naar binnen of naar buiten gericht is, is discutabel. Artikel 6.4.3 (4) omschrijft dit als ‘een moment om een as evenwijdig aan de plaatrand’ dat naar binnen gericht is. Op zichzelf is dit een onbeduidende definitie: voor elke ponsbelasting is er een as evenwijdig aan de plaatrand denkbaar ten opzichte waarvan de ponsbelasting een naar binnen gerichte excentriciteit heeft.

De excentriciteit is in formules 6.42 en 6.43 gedefinieerd als e = MEd / VEd. In de praktijk wordt dit veelal geïnterpreteerd als de excentriciteit die volgt uit het moment en de normaalkracht in de kolomkop. Zodoende zou men kunnen redeneren dat de excentriciteit die volgt uit de krachten in de kolomkop bepalend is of het moment naar binnen of naar buiten gericht is. De excentriciteit moet echter worden beschouwd ten opzichte van het zwaartepunt van de controle-omtrek, zoals genoemd in EN 1992-1-1 art. 6.4.3(3). De interpretatiewijze van de excentriciteit e is verduidelijkt in de zinsnede toegevoegd in [C1] aan art. 6.4.3 (4):

Als de excentriciteit loodrecht op de plaatrand niet naar binnen is gericht, is vergelijking (6.39) van toepassing. Bij het berekenen van W1 behoort de excentriciteit e te zijn gemeten vanuit de zwaartepuntas van de controle-omtrek.

Dit moet worden gelezen in combinatie met de definitie van e onder formule 6.40:

            e is de afstand dl tot de as waarrond het moment MEd aangrijpt.

Bedoeld wordt dus dat het moment MEd rond de zwaartepuntas van de controle-omtrek moet aangrijpen. Bij een rand-/hoekkolom ligt het zwaartepunt van de controle-omtrek verschoven ten opzichte van de as van de kolomkop. Het optredende moment in de kolomkop moet hiervoor dus worden gecorrigeerd: MEd = MEd,colVEd · y(z)0, waarbij de afstand y0 respectievelijk z0 de afstand is tussen het hart van de kolomkop en het zwaartepunt van de controle-omtrek in y- en z-richting.

Voor rand- en hoekkolommen is het zwaartepunt van de controle-omtrek vrijwel altijd naar binnen gelegen ten opzichte van hart kolom. Een zeer belangrijke implicatie hiervan is dat een ponskracht, met een geringe naar binnen gerichte excentriciteit ten opzichte van de kolomkop, ten opzichte van het zwaartepunt van de controle-omtrek juist naar buiten gericht kan zijn. Een verkeerde interpretatie van de excentriciteit leidt zo tot ongeoorloofde toepassing van formules 6.44/6.46.

Indien de kolom bovendien dicht op de plaatrand staat is de afstand tussen hart kolom en zwaartelijn controle-omtrek vrij groot. Als het moment op de kolomkop klein is (of naar buiten gericht), leidt dit tot aanzienlijk ongunstiger β-factoren dan de benaderde waarden gegeven in figuur 6.21N en formules 6.44/6.46.

Figuur 1.Bepaling excentriciteit e waarbij de resultante VEd naar binnen is gericht t.o.v. kolomas maar naar binnen (links) of naar buiten (rechts) is gericht t.o.v. zwaartelijn controle-omtrek (bron: fig. 2.2.4 [1])

Op basis van het voorgaande mag duidelijk zijn dat de methode zoals beschreven in EN 1992-1-1 art. 6.4.3 in de praktijk niet altijd juist geïnterpreteerd en toegepast wordt. Een eenduidige methode is daarom noodzakelijk.

Ponstoetsing nader beschouwd

Om te komen tot een uniforme en eenduidige bepalingswijze van de schuifspanningsvergrotingsfactor β wordt voorgesteld de volgende methodiek te hanteren:

  1. Bepaal de lengte van de controle-omtrek u1 conform EN 1992-1-1 art. 6.4.2;
     
  2. Bepaal het statisch moment Sz resp. Sy van de controle-omtrek ten opzichte van een referentiepunt (voor rand- of hoekkolommen bij voorkeur de plaatrand):

Sz = ∑Li yi                                  Sy = ∑Li zi

Li is de lengte van segment i langs de perimeter;

yi ; zi is de afstand van zwaartepunt segment i tot referentiepunt in y- en z-richting;
 

  1. Bepaal de afstand van hart kolom/lastvlak tot het zwaartepunt van de controle-omtrek:

y0 = S/ u1ay                         z0 = Sy / u1az

ay ; az is de afstand van hart kolom tot referentiepunt in y- en z-richting;
 

  1. Bepaal het effectieve moment in het zwaartepunt van de controle-omtrek:

MEd,z = MEd,z,colVEd y0            MEd,y = MEd,y,colVEd z0
 

  1. Bepaal het plastische weerstandsmoment van de controle-omtrek ten opzichte van het zwaartepunt van de controle-omtrek conform formule 6.40. Deze is te herschrijven als:

W1,z = ∑Li |ey,i|                            W1,y = ∑Li |ez,i|

Li is de lengte van segment i langs de controle-omtrek;

ey,i ; ez,i is de afstand van zwaartepunt segment i tot het de zwaartelijn van de controle-omtrek in y- respectievelijk z-richting;
 

  1. Bepaal de schuifspanningsvergrotingsfactor β, waarbij gebruik wordt gemaakt van de veralgemeende formule NA.6.39.1 zoals ook wordt gehanteerd in DIN-EN 1992-1-1/NA:

β=1+kyMEd,yVEdu1W1,y2+kzMEd,zVEdu1W1,z2

Bij deze methode gelden de volgende kanttekeningen:

  • Voor ronde of rechthoekige middenkolommen zonder invloed van sparingen (als bedoeld in art. 6.4.2 (3)) geldt dat het zwaartepunt van de controleperimeter samen valt met het hart van de kolom. Stap 2 t/m 4 kunnen in dit geval achterwege blijven (y0 = z0 = 0).
  • Voor ronde randkolommen of rechthoekige randkolommen met ribbe parallel aan plaatrand, zonder invloed van sparingen, geldt dat de zwaartelijn van de controleomtrek haaks op de plaatrand door het hart van de kolom gaat (z0 = 0 indien de plaatrand parallel aan de z-as ligt).
  • De veralgemeende formule 6.39 geeft de mogelijkheid om voor situaties met momenten in twee orthogonale richtingen de β-factor te bepalen. Formules 6.39, 6.42 en 6.43 worden bovendien door deze formule afgedekt, waarmee deze niet strijdig is met de Eurocode.
  • Voor ronde kolommen geldt ky = kz = 0,6 voor c1 = c2. Dit overeenkomstig formule 6.42, welke met bovenstaande methodiek is af te leiden voor k = 0,6.
  • Formules 6.44 en 6.46 worden niet toegepast.

Rekenvoorbeeld

Ter illustratie van de bepalingswijze waarin de methodiek uit de Eurocode tekort schiet, wordt een rekenvoorbeeld van een hoekkolom gegeven. Hiervoor worden de volgende uitgangspunten gehanteerd:

Rekenwaarde ponskracht:                    VEd = 200 kN

Moment y-richting:                                 MEd,col,z = 40 kNm

Moment z-richting:                                 MEd,col,y = 50 kNm

Plaatdikte:                                                 h = 400 mm

Gewogen effectieve plaatdikte:           d = 350 mm

Overige geometrie is gegeven in figuur 2.

Aangezien de resultante van de ponskracht VEd naar binnen is gelegen ten opzichte van hart kolom, zou geredeneerd kunnen worden dat de excentriciteit naar binnen gericht is. In dat geval zou geredeneerd kunnen worden dat de β-factor volgens EN 1992-1-1 art. 6.4.3 (5) en formule 6.46 bepaald mag worden. Hieruit volgt:

u1         = c1 + c2 + πd               = 300 + 400 + 350 π     = 1800 mm

u1*        = ½c1 + ½c2 + πd          = 150 + 200 + 350 π     = 1450 mm

β          = u1 / u1*                         = 1800 / 1450                  = 1,24

 

Uit de methodiek in dit artikel volgt echter:

  1. Bepaal u1

 u1         = 1800 mm

  1. Bepaal Sz en Sy

Genomen ten opzichte van plaatrand, met positieve z-as parallel aan plaatrand links, positieve y-as parallel aan plaatrand boven:

Sz        = 1.264.867 mm²

Sy         = 1.339.823 mm²

  1. Bepaal y0 en z0

y0         = Sz / u1ay                 = 1.264.867 / 1800 − 150          = 553 mm

z0         = Sy / u1az                  = 1.339.823 / 1800 − 200          = 545 mm

  1. Bepaal MEd,z en MEd,y

MEd,z    = MEd,z,colVEd y0         = 40 – 200 · 0,553                    = -70,6 kN

MEd,y     = MEd,y,colVEd z0         = 50 – 200 · 0,545                    = -60,0 kNm

Hieruit volgt een negatief moment. De excentriciteit is dus naar buiten gericht!

  1. Bepaal W1,z en W1,y

W1,z      = 499.042 mm²

W1,y      = 556.916 mm²

  1. Bepaal β

c1 / c2   = 300 / 400                   = 0,75   →    kz = 0,53           (tabel 6.1)

c2 / c1   = 400 / 300                   = 1,33   →     ky = 0,63           (tabel 6.1)

β=1+(kyMEd,yVEdu1W1,y)2+(kzMEd,zVEdu1W1,z)2

β=1+(0,63-60,0·106200·1031800556.916)2+(0,53-70,6·106200·1031800499.042)2β=1,90

Geconstateerd wordt niet alleen dat formule 6.46 in deze situatie niet toegepast mag worden, formule 6.46 geeft in dit geval ook een zware onderschatting van de β-factor. Ook de waarde uit figuur 6.21N, β = 1,50 voor een hoekkolom, is in dit geval te optimistisch.

Aanbevelingen

Naar aanleiding van deze beschouwing over het bezwijkmechanisme pons worden de volgende aanbevelingen gedaan aan constructeurs:

  • De methode beschreven in dit artikel is bewerkelijk voor individuele toetsingen, maar laat zich goed automatiseren. Maak hier gebruik van.
  • Bedenk dat, om te bepalen of formules 6.44 en 6.46 toegepast mogen worden, stap 1 t/m 4 altijd doorlopen moeten worden.
  • Maak daarom, tenzij voldoende onderbouwd, geen gebruik van EN 1992-1-1 formules 6.44, 6.46 of figuur 6.21N.
  • Maak bij twee-assige buiging voor de bepaling van β gebruik van de veralgemeende formule NA.6.39.1 zoals gehanteerd in DIN-EN 1992-1-1/NA.
  • In het document ‘Durchstanznachweis nach EC2’ van Prof. Dr.-Ing. Rudolf Baumgart [1] zijn in tabel 2.2.2 bepalingsmethoden opgenomen van het plastische weerstandsmoment van de controle-omtrek voor diverse kolomvormen en -posities.

Vooruitblik: pons in de nieuwe Eurocode

Momenteel is een nieuwe versie van de Eurocode 2 in ontwikkeling. In deze nieuwe versie wordt de toetsing op pons volledig herzien, waarmee de bezwaren die in dit artikel worden aangestipt grotendeels worden ondervangen. In de toekomstige versie komt een duidelijkere toelichting op de bepalingswijze van de excentriciteit van de ponskracht. Ook zal in de herziene bepalingsmethode van de schuifspanningsvergrotingsfactor β geen gebruik meer worden gemaakt van het plastische weerstandsmoment van de toetsperimeter. De versimpelde bepalingsmethoden voor de factor β uit de huidige norm komen grotendeels te vervallen.

Met deze herziene toetswijze bestaat de hoop dat de methode eenduidiger zal worden en dat de kans op (onbedoeld) onveilige ontwerpen wordt verkleind. Wanneer de nieuwe versie van Eurocode 2 verschijnt, is vooralsnog niet exact bekend, maar dat zal nog zeker enkele jaren duren.

Meer over pons in de nieuwe Eurocode

Voor een uitgebreidere toelichting op de verschillen tussen de ponstoets in de huidige en toekomstige Eurocode 2 zal binnenkort een separaat artikel verschijnen in Cement. Ook verschijnt een artikelenserie over dwarskracht in de nieuwe Eurocode.

Referenties

[1] Durchstanznachweis nach EC2, Prof. Dr.-Ing. Rudolf Baumgart (5-10-2020)
[2] DIN-EN 1992-1-1/NA (2013), Duitse Nationale Annex bij Eurocode 2-1-1
[3] NEN-EN 1992-1-1+C2/A1 (2015) + NB+A1 (2020), Nederlandse Eurocode 2-1-1 inclusief Nationale Annex

Reacties

Pieter Schoutens - Witteveen+Bos 30 november 2023 16:08

Beste mr. Zuidema, dank voor uw opmerking. Het artikel heeft vanuit diverse kanten vragen en reacties opgeroepen, wat voor ons als auteurs alleen maar de bevestiging geeft dat de toetsing op pons volgens de huidige normering voor constructeurs onvoldoende houvast biedt. We werken aan een vervolgartikel waarin we de verschillende zienswijzen zullen proberen te duiden. Ter illustratie: de opmerkingen die wij op het rekenvoorbeeld ontvangen suggereren dat de factor Beta (in uw geval) lager, tot juist 70% hoger zou moeten zijn dan de door ons bepaalde waarde van 1,90.

Henk Zuidema - Sweco 22 november 2023 22:28

Mooi artikel, maar hoewel het principe goed en duidelijk wordt uitgelegd lijkt het me in dit geval niet juist. Bij de bepaling van Beta wordt er impliciet van uitgegaan dat MEdy en MEdz ergens in de periferie schuifspanningen veroorzaken in dezelfde richting als VEd. En net in dit voorbeeld is dat bij de gehanteerde ponstheorie niet het geval. In het gedeelte boven de horizontale zwaartepuntsas veroorzaken VEd en MEd,z een opwaartse reactie (als VEd neerwaarts werkt) en veroorzaakt MEd,y een neerwaartse reactie. In het boogstuk tussen de twee zwaartepuntsassen veroorzaken MEd,z en MEd,y een neerwaartse reactie en veroorzaakt VEd een opwaartse reactie. En in het gedeelte links van de verticale zwaartepuntsas veroorzaken VEd en MEd,y een opwaartse reactie en veroorzaakt MEd,z een neerwaartse reactie. De factor Beta zal in dit 'uitzonderlijke' geval dus wat lager zijn.

Redactie Cement - Aeneas 13 juli 2023 14:32

Het artikel is n.a.v. van onderstaande opmerkingen aangepast ten opzichte van de versie in Cement 2023/3. Het gaat daarbij om correcties in de subscripts y en z bij S, W, M en k.

Pieter Schoutens - Witteveen+Bos 22 juni 2023 11:00

Beste mr. Haasjes, Dank voor de aandachtige studie van ons artikel. Ondanks de zorg die aan het artikel is besteed, hebben we per abuis inderdaad een afwijkende notatiewijze gehandeerd voor (buigend, statisch en weerstands)moment. Met subscript y respectievelijk z wordt in het artikel het moment in de y- en z-richting bedoeld, niet het moment om de y- en z-as.

Justus Haasjes - SWINN BV 12 juni 2023 13:28

in NEN EN 1992-1-1 artikel 5.8.9 staat een definitie van : e z = M Edy / N Ed; excentriciteit ten opzichte van de z-as; e y = M Edz / N Ed; excentriciteit ten opzichte van de y-as; M Edy is de rekenwaarde van het moment om de y-as, inclusief tweede-orde-moment; M Edz is de rekenwaarde van het moment om de z-as, inclusief tweede-orde-moment; in dit artikel wordt My en Mz omgewisseld met verwarring als gevolg. Als dat wordt gecorrigeerd is de berekening juist. Moment (y-richting): MEd,col,z = 40 kNm Moment (z-richting): MEd,col,y = 50 kNm groet, Justus Haasjes

Justus Haasjes - SWINN BV 07 juni 2023 11:12

helaas kan de site geen grieks alfabet aan. Beta = 1,91 is het antwoord. bij M y hoort afstand z en bij M z hoort afstand y. Daardoor is volgens mij k y en kz ook verwisseld, k y = 0,63 en k z = 0,53

Justus Haasjes - SWINN BV 07 juni 2023 10:34

volgens mij hoort op blz. 62 bij 4. het volgende te staan: M' Ed,y = M Ed,y - V Ed*z 0 40 ? 200 · 0,545?= -69,0 kNm M' Ed,z = M Ed,z - V Ed*y 0 50 ? 200 · 0,553 = -60,6 kNm ????= 1,91 groet, Justus Haasjes

x Met het invullen van dit formulier geef je Cement en relaties toestemming om je informatie toe te sturen over zijn producten, dienstverlening en gerelateerde zaken. Akkoord
Renda ©2024. All rights reserved.

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie AccepterenWeigeren