Doorbuiging, iets heel anders dan sterkte!

Vaak worden de begrippen doorbuiging en sterkte door elkaar gebruikt. Dit is echter absoluut onjuist. Berekeningen op doorbuiging en berekeningen op sterkte zijn namelijk volstrekt verschillend. Een aluminium profiel kan bijvoorbeeld op het gebied van sterkte aan alle gestelde eisen voldoen maar op het gebied van doorbuiging niet. Indien sterkte maatgevend is, is de keuze van de juiste legering in combinatie met de profielvorm belangrijk. Bij doorbuiging is alleen de profielvorm, de hoogte in combinatie met wanddiktes belangrijk. De legering speelt hier geen rol, mits deze natuurlijk op sterkte voldoet.

Berekening op sterkte

Bij de sterkteberekening van bijvoorbeeld een aluminium balk wordt berekend of een profiel onder invloed van een gelijkmatig verdeelde belasting, of een puntlast, de maximaal toelaatbare spanning wordt overschreden. Dit is dus sterk legeringsafhankelijk. Het Weerstandsmoment (W) van een profiel is hierbij belangrijk. Om het weerstandsmoment (W) te vergroten moet op de juiste plaats materiaal worden toegevoegd. Wordt de maximale spanning overschreden, kan men ook een hoogwaardigere legering toepassen.

Berekening op doorbuiging

Bij een berekening op doorbuiging is dat geheel anders. Hier wordt gekeken hoeveel een profiel doorbuigt onder invloed van een bepaalde gelijkmatig verdeelde belasting of een puntlast. Ook wordt wel gesproken over stijfheidsberekeningen. In normen of klantspecifieke eisen is vastgelegd hoeveel deze doorbuiging mag zijn. De doorbuiging van aluminium extrusieprofielen is sterk afhankelijk van de vorm.

Millenium_Bridge

Bij doorbuiging spelen ook gevoel, visuele en practische aspecten een rol. Doorbuiging zie je en voel je. Sta je op een voetgangersbruggetje, dat onder invloed van jouw gewicht erg doorbuigt, dan geeft dat geen prettig gevoel. Een voorbeeld daarvan is de Milenium Bridge in Londen. Toen de brug pas open was, moest deze weer gesloten worden omdat de brug voor het gevoel erg ver doorboog. Later zijn er maatregelen genomen. Nu mogen slechts een beperkt aantal mensen tegelijk over de brug heen lopen.

Trailer

Visuele aspecten zijn vooral belangrijk in bouwconstructies. Indien een balk in een ruimte erg ver doorbuigt, is dat visueel gezien lelijk. Practische aspecten spelen ook een belangrijke rol. Kijk bijvoorbeeld naar de toepassing van aluminium rail profielen in de trailerbouw. Worden deze profielen recht in een aanhangwagen toegepast, dan buigen ze op eigen gewicht en het gewicht van de aanhangende materialen al heel ver door. Dit levert practisch gezien grote problemen op.

Vooral in dakconstructies kunnen nog grotere problemen ontstaan, tot zelfs instorten toe. Buigt een dak onder invloed van zijn eigen gewicht al zover door, dat deze onder de nul-lijn komt, dan kan dit bij regen of sneeuw al catastrofaal zijn. Je krijgt dan een soort accumulerend effect. De sneeuw veroorzaakt een grotere belasting van het dak, dat steeds verder gaat doorzakken tot zelfs de maximale spanningen worden overschreden, waardoor het dak instort.

Oplossingen om doorbuiging geringer te maken

Bij de Milenium Bridge was het alleen nog mogelijk de belasting geringer te maken door het maximaal aantal personen dat tegelijkertijd van de brug gebruik maakt, te beperken. Beter is het om in het berekeningsstadium al met oplossingen te komen en te zorgen dat het Traagheidsmoment (I) groter wordt. Hierdoor neemt direct de doorbuiging af. Hoe dit kan worden gerealiseerd heeft mijn collega Hilbrand Kamphuis in dit artikel al uitgebreid aan de orde gebracht.

Maar er is ook nog een andere oplossing. Je kunt het profiel, of de ligger, een bepaalde voorbuiging (ook wel zeeg genoemd) geven. Hieronder een tweetal voorbeelden:

455790518_cf79aa69a7_n

Profielen_met_voorspanning

Railprofiel met voorbuiging                                        Brug met voorspanning

Voor beide methoden is aluminium bij uitstek een geschikt materiaal. Door de aluminium profielen te produceren volgens de extrusietechniek, is het mogelijk om bij de vormgeving van het profiel het aluminium zodanig te positioneren dat er een zo gunstig mogelijk Traagheidsmoment (I) ontstaat. Ook heeft aluminium gunstige eigenschappen voor buigen, een veelvuldig toegepaste bewerking.

Andere belangrijke aspecten van statische berekeningen, waar ik in dit artikel niet verder op in wil gaan, zijn mengvormen van berekeningen op sterkte en doorbuiging, namelijk op knik en kip. Mijn collega’s en ik denken graag met je mee om alle statische uitdagingen van een profiel voor jouw specifieke toepassing te verbeteren.

Credits foto's
Millenium Bridge: Alan Trotter via Flickr.com
Brug met voorspanning: William Murphy via Flickr.com

Aluminium, Legeringen,, Ontwerpen,, sterkte,, Doorbuiging