Constructiestaal is, naast beton en hout, één van de belangrijkste bouwmaterialen in de moderne bouw. Vrijwel iedere grotere constructie bevat staal. Denk bijvoorbeeld aan bedrijfshallen, bruggen, parkeergarages, hoogbouw en grote overspanningen. Staal wordt gekozen omdat het een zeer hoge sterkte heeft in verhouding tot zijn gewicht. Hierdoor kunnen relatief slanke constructies grote belastingen opnemen.
Een ander belangrijk voordeel is dat staal in een fabriek zeer nauwkeurig kan worden geproduceerd. Profielen worden op maat gewalst, gezaagd, geboord en gelast, waardoor ze op de bouwplaats snel gemonteerd kunnen worden. Dit verkort de bouwtijd aanzienlijk. Daarnaast is staal volledig recyclebaar. Een stalen constructie kan na de levensduur van een gebouw vrijwel volledig worden hergebruikt, waardoor constructiestaal ook een duurzaam materiaal is.
Hoewel staal veel voordelen heeft, is het belangrijk om het juiste profiel voor de juiste toepassing te kiezen. Elk profiel heeft namelijk zijn eigen vorm, eigenschappen en sterkte. De vorm van een profiel bepaalt hoe goed het belastingen kan opnemen en waarvoor het het meest geschikt is.
In de bouw worden verschillende soorten staalprofielen gebruikt. De bekendste zijn de HEA-, HEB- en HEM-profielen. Deze profielen hebben allemaal de vorm van een hoofdletter I en worden daarom ook I-profielen genoemd. Ze bestaan uit twee flenzen, de horizontale delen van het profiel, en een lijf, het verticale deel dat beide flenzen met elkaar verbindt.
Het verschil tussen een HEA-, HEB- en HEM-profiel zit vooral in de dikte van het materiaal. Een HEA-profiel is relatief licht uitgevoerd en wordt veel toegepast in gebouwen waar de belastingen beperkt zijn. Een HEB-profiel heeft dikkere flenzen en een dikker lijf, waardoor het meer belasting kan opnemen. Een HEM-profiel is nog zwaarder uitgevoerd en wordt toegepast wanneer zeer grote krachten of lange overspanningen voorkomen. Hoewel de buitenafmetingen vaak gelijk zijn, neemt de draagkracht toe doordat het profiel steeds dikker wordt.
Een ander veelgebruikt profiel is het IPE-profiel. Ook dit heeft een I-vorm, maar de flenzen zijn smaller dan bij een HEA-profiel. Hierdoor is een IPE-profiel lichter en economischer. In veel gebouwen worden IPE-profielen gebruikt als liggers voor vloeren, daken en kleinere staalconstructies. Omdat het profiel minder materiaal bevat, is het goedkoper, terwijl het toch een hoge sterkte heeft.
Naast I-profielen bestaan er ook U-profielen, die worden aangeduid met UNP. Deze profielen hebben de vorm van een U en worden vaak toegepast als randliggers, opleggingen of onderdelen van samengestelde constructies. Door de open vorm zijn ze minder geschikt voor zware buiging dan een I-profiel, maar juist erg praktisch voor verbindingen en detailleringen.
Tot slot worden L-profielen, ook wel hoeklijnen genoemd, veel gebruikt. Er bestaan hoeklijnen met gelijke benen en hoeklijnen met ongelijke benen. Deze profielen worden meestal niet gebruikt als hoofdligger, maar voor verbindingen, verstijvingen, vakwerken en ondersteunende constructiedelen. Vooral in staalverbindingen zie je hoeklijnen veel terug.
De keuze voor een profiel is dus altijd afhankelijk van de belasting, de overspanning en de functie binnen de constructie.
Wanneer je een staalprofiel bekijkt, zie je dat het uit verschillende onderdelen bestaat. De bovenste en onderste horizontale delen worden de flenzen genoemd. Deze nemen een groot deel van de buigspanningen op. Het verticale deel tussen de flenzen heet het lijf. Dit zorgt ervoor dat de krachten tussen beide flenzen worden overgebracht en neemt voornamelijk schuifkrachten op.
Een profiel wordt beschreven met verschillende afmetingen. De hoogte van het profiel wordt aangegeven met de letter h, terwijl de breedte van de flens wordt aangeduid met b. Daarnaast zijn de dikte van het lijf (t<sub>w</sub>) en de dikte van de flens (t<sub>f</sub>) belangrijk. Ook de afrondingsstraal tussen lijf en flens speelt een rol, omdat scherpe overgangen spanningsconcentraties kunnen veroorzaken.
Deze afmetingen bepalen uiteindelijk hoeveel belasting een profiel kan opnemen en hoeveel het weegt.
Constructeurs gebruiken tabellen om de eigenschappen van staalprofielen op te zoeken. In deze tabellen staan alle belangrijke gegevens die nodig zijn voor berekeningen.
Als voorbeeld nemen we een HEA 200-profiel. De aanduiding 200 verwijst naar de nominale hoogte van het profiel, die ongeveer 200 millimeter bedraagt. In de tabel is te zien dat het profiel een werkelijke hoogte heeft van ongeveer 190 millimeter en een flensbreedte van 200 millimeter.
Daarnaast staat in de tabel het oppervlak van de doorsnede, aangeduid met A. Dit oppervlak wordt uitgedrukt in vierkante millimeters of vierkante centimeters en is belangrijk voor trek- en drukberekeningen.
Ook het gewicht per meter wordt vermeld. Een HEA 200 weegt ongeveer 42,3 kilogram per meter. Hiermee kan eenvoudig worden berekend hoeveel een complete staalconstructie zal wegen.
Verder bevatten profieltabellen gegevens over het oppervlak, de massa en verschillende sterkte-eigenschappen die constructeurs gebruiken bij het ontwerpen van staalconstructies.
Wanneer een stalen profiel uit elkaar wordt getrokken, ontstaat trekspanning. Deze spanning wordt berekend met de bekende formule:
σ = F / A
Hierin staat:
Uit deze formule blijkt dat dezelfde kracht minder spanning veroorzaakt wanneer een groter profiel wordt gebruikt. Daarom kunnen dikkere profielen grotere krachten opnemen.
Voor standaard constructiestaal S235 geldt een vloeigrens van ongeveer 235 N/mm². Dit betekent dat het staal zich elastisch gedraagt zolang deze spanning niet wordt overschreden. Wanneer de belasting wordt verwijderd, neemt het profiel weer zijn oorspronkelijke vorm aan.
Wordt de vloeigrens overschreden, dan begint het staal blijvend te vervormen. Deze plastische vervorming is niet meer ongedaan te maken. Daarom ontwerpen constructeurs staalconstructies altijd zo dat de optredende spanningen onder de vloeigrens blijven.
Stel dat een HEA 200-profiel op trek wordt belast. Uit de profielentabel blijkt dat het doorsnede-oppervlak van dit profiel 5.380 mm² bedraagt. Het profiel is gemaakt van staalsoort S235, waardoor de maximaal toelaatbare spanning 235 N/mm² is.
Met de formule:
F = σ × A
kan de maximale trekkracht worden berekend.
Invullen geeft:
F = 235 × 5.380
Hieruit volgt een maximale trekkracht van ongeveer 1.264.000 Newton, oftewel 1,26 MegaNewton (MN) of ongeveer 1.264 kiloNewton (kN).
Dit voorbeeld laat zien dat een relatief slank profiel toch zeer grote krachten kan opnemen. In de praktijk worden echter altijd veiligheidsfactoren toegepast en wordt rekening gehouden met verschillende belastingscombinaties.
Om te begrijpen hoe staal zich gedraagt onder belasting gebruiken constructeurs een spannings-rekdiagram. Hierin wordt de spanning uitgezet tegen de vervorming van het materiaal.
In het eerste deel van de grafiek verloopt de lijn recht. Dit is het elastische gebied. Hier geldt de wet van Hooke: hoe groter de belasting, hoe groter de vervorming. Zodra de belasting wordt verwijderd, neemt het staal weer zijn oorspronkelijke vorm aan.
Bij een spanning van ongeveer 235 N/mm² bereikt S235-staal de vloeigrens. Vanaf dit punt ontstaan blijvende vervormingen. Het staal wordt langer zonder dat de spanning veel toeneemt. Dit wordt het plastische gebied genoemd.
Wanneer de belasting verder wordt verhoogd, bereikt het staal uiteindelijk zijn maximale treksterkte. Daarna ontstaan insnoeringen en neemt de sterkte af totdat het profiel uiteindelijk bezwijkt. Dit punt noemen we het breekpunt.
Voor constructeurs is vooral de vloeigrens belangrijk. Constructies worden zo ontworpen dat de spanning tijdens normaal gebruik ruim onder deze grens blijft. Hierdoor blijft het staal veilig functioneren en keert het na belasting altijd terug naar zijn oorspronkelijke vorm.
Constructiestaal is een sterk, nauwkeurig geproduceerd en duurzaam bouwmateriaal dat veel wordt toegepast in moderne gebouwen en infrastructuur. Door de hoge sterkte kunnen relatief slanke profielen grote belastingen opnemen en lange overspanningen realiseren.
De meest gebruikte staalprofielen zijn de HEA-, HEB-, HEM-, IPE-, UNP- en L-profielen. Elk profiel heeft een eigen vorm en toepassing. De keuze voor een profiel wordt bepaald door de krachten die moeten worden opgenomen en de functie binnen de constructie.
Met behulp van profieltabellen kunnen constructeurs afmetingen, gewicht en doorsnede-oppervlak bepalen. Deze gegevens zijn noodzakelijk om spanningen en belastingen te berekenen. Bij trekbelasting wordt gebruikgemaakt van de formule σ = F / A, waarbij de spanning nooit hoger mag worden dan de vloeigrens van het materiaal. Voor standaard constructiestaal S235 bedraagt deze 235 N/mm².
Een goed begrip van staalprofielen, materiaaleigenschappen en eenvoudige sterkteberekeningen vormt de basis voor het ontwerpen van veilige en betrouwbare staalconstructies. In de vervolglessen zullen deze principes verder worden toegepast bij het berekenen van liggers, kolommen en complete staalconstructies.
