Een nieuw rekenmodel zo sterk als… beton – Rik Steensels (UHasselt) ontwikkelt digitaal model voor eindwapening in betonelementen
Rik Steensels (UHasselt) ontwikkelt digitaal model voor eindwapening in betonelementen. Digitalisering is van belang op alle niveaus van de bouw, en onmisbaar voor innovatie in de sector. Hoewel men voor het berekenen van betonelementen al heel vroeg in het computertijdperk met digitale modellen bezig was (zie ook het interview met Nordy Robbens), zijn er nog steeds aspecten die verdere ontwikkeling kunnen gebruiken. Rik Steensels (UHasselt) legde met zijn doctoraatsthesis opnieuw een stuk van de puzzel. Hij schreef een digitaal model voor het berekenen van wapening in verankeringszones, de zogenaamde frettage-wapening, van voorgespannen betonelementen. Titel van het doctoraat, dat hij vorig jaar afrondde: End zone design and detailing of pre-tensioned concrete elements [Phd thesis – cat: T1].
De verankeringszone of eindzone van voorgespannen betonelementen boeit Rik Steensels al langer. Zijn masterthesis ‘Eindige elementenstudie: Spallingsfenomeen in Kanaalplaten’ werd begeleid door FEBE-directeur Stef Maas, toen actief bij betonbedrijf Echo. Voor zijn doctoraat werkte Steensels hierop verder en ontwierp hij een model dat toelaat om de spanningsverdeling en het post-cracking gedrag van de ankerzones volledig te evalueren op basis van parameters die bekend zijn in de ontwerpfase. Om inzicht te krijgen in het complexe spanningsgedrag, ontwikkelde hij een tweefasige aanpak.
In de eerste fase van het onderzoek modelleerde hij het hechtingsgedrag en de overdrachtslengte om een juiste simulatie te kunnen maken van de overdracht van de voorspanning van de strengen naar het betonelement. Steensels deed hiervoor heel wat theoretisch onderzoek via de eindige elementen methode. Bij die methode wordt een complexe constructie theoretisch in een eindig aantal elementen opgedeeld. Via het numerieke model dat Steensels zo bekwam, kon hij het gedrag van een voorgespannen betonelement benaderen op basis van gegevens bekend tijdens het ontwerp. Dit gedrag werd vervolgens gebruikt als input om de spanningsverdeling binnen de verankeringszone van het geanalyseerde element te beoordelen.
Dit alles resulteerde in een bruikbaar rekenmodel voor de berekening van de eindwapening, met als ultieme doel dat scheuren in de eindzones tot het verleden kunnen gaan behoren. De berekeningen uit het onderzoek werden toegepast op verschillende geometrische, materiële en mechanische eigenschappen. De thesis vermeldt verder ook een aantal praktische richtlijnen voor de plaatsing van de wapening.
Op de vraag of de praktische richtlijnen die hij schreef rechtstreeks bruikbaar zijn voor fabrikanten, zonder toepassing van het rekenmodel, antwoordde Rik Steensels: “Deze richtlijnen zijn opgesteld op basis van het digitale model, maar het model zelf is hiervoor niet meer nodig. Ze geven een soort van spelregels voor hoe je op een optimale manier de wapening in de eindzone zou kunnen verdelen. Het rekenmodel beantwoordt de vraag ‘Hoeveel wapening moet ik plaatsen?’ terwijl de richtlijnen eerder een idee geven van ‘Hoe moet ik de (reeds berekende) wapening verdelen over de eindzone?’ In dit opzicht zijn de richtlijnen ook wel sneller praktisch bruikbaar voor andere fabrikanten omdat ze hiervoor geen bijkomende berekeningen of andere software nodig hebben.”
De ontwerptools kunnen op termijn ook worden geïntegreerd in bestaande programma’s. “Dat klopt,” beaamt Steensels, “al is het op dit moment nog niet het geval. Voor het eindige elementenmodel zou dit wel in gelijkaardige numerieke software geïmplementeerd moeten worden maar verder zijn er geen beperkingen. Ik heb het model bovendien zo opgevat dat er ook qua geometrische eigenschappen geen beperkingen zijn, en het dus bruikbaar is voor andere fabrikanten.” Nog meer goed nieuws is dat specifieke rekensoftware niet per se noodzakelijk is om het model toe te passen. Steensels: “Bijkomend heb ik in mijn thesis nog een vereenvoudigd model uitgeschreven. Dit model kan in principe ook via andere software zoals Excel uitgewerkt worden. Het is minder gedetailleerd en geeft wat minder inzichten dan het volledige numerieke model maar het is wel breder toepasbaar voor fabrikanten.”
Dat het doctoraat nieuwe bruggen slaat tussen theorie en praktijk wil David Dupont, engineering manager bij d-Concrete – aanbieder van totaalprojecten in prefab beton, graag bevestigen. “Wij hebben verschillende gesprekken gehad met Rik, waarin wij onze praktische kennis hebben willen delen. We zijn met name dieper ingegaan op de problemen die we in de praktijk zien optreden bij scheurvorming in eindzones, en op de parameters die wat ons betreft een rol spelen.” Een eenvoudigere versie van dit rekenmodel bestond al bij d-Concrete: “Het was een eerder simpel druk- en trekstaafmodel dat wij intern al jaren gebruiken”, zegt Dupont. Rik ontwikkelde het verder en zorgde voor een wetenschappelijke onderbouwing, gebruikmakend van zowel eindige elementen berekeningen als andere studies. (KDA)
