Hoe bereken je de sterkte van een stalen buis?

Wat betekent de sterkte van een stalen buis?

De sterkte van een stalen buis is het vermogen van de buis om belastingen veilig op te nemen zonder blijvende vervorming, instabiliteit of bezwijken.

Afhankelijk van de toepassing kan een stalen buis worden belast op trek, druk, buiging, afschuiving, torsie of een combinatie daarvan. Welke controle maatgevend is, hangt af van de functie van de buis.

• constructiebuis;
• buispaal;
• funderingsbuis;
• mantelbuis;
• casingbuis;
• stalen heibuis.

Welke gegevens zijn nodig voor een sterkteberekening?

Om de sterkte van een stalen buis te berekenen zijn meerdere technische gegevens nodig. Alleen de diameter of wanddikte is onvoldoende om het draagvermogen of de constructieve veiligheid te bepalen.

Bij funderingstoepassingen spelen daarnaast bodemopbouw, paallengte, schachtwrijving, paalpuntweerstand en geotechnisch draagvermogen een belangrijke rol.

De invloed van diameter en wanddikte

De combinatie van diameter en wanddikte bepaalt in hoge mate hoe sterk een stalen buis is. Een grotere buitendiameter vergroot het traagheidsmoment en het weerstandsmoment aanzienlijk.

Daardoor kan een relatief lichte buis soms meer buigbelasting opnemen dan een kleinere buis met een dikkere wand. De wanddikte beïnvloedt onder meer het doorsnede-oppervlak, de weerstand tegen drukbelasting en de lokale stabiliteit van de buiswand.

• doorsnede-oppervlak;
• weerstand tegen drukbelasting;
• weerstand tegen lokale knik;
• weerstand tegen vervorming;
• totaal gewicht van de buis.

Bij dunwandige stalen buizen moet ook worden gecontroleerd of lokale instabiliteit van de buiswand optreedt. Daarom wordt niet alleen gekeken naar materiaalsterkte, maar ook naar de doorsnedeklasse volgens Eurocode 3.

Belangrijke doorsnede-eigenschappen

Voor de berekening van een ronde stalen buis worden verschillende geometrische eigenschappen gebruikt. Deze waarden bepalen hoe de buis reageert op trek, druk, buiging, torsie en knik.

• Doorsnede-oppervlak A: belangrijk voor trek- en drukbelasting.
• Traagheidsmoment I: belangrijk voor doorbuiging, stijfheid en knik.
• Weerstandsmoment W: belangrijk voor buigspanningen.
• Polair traagheidsmoment J: relevant bij torsie.
• Straal van traagheid i: gebruikt bij knikberekeningen.

Het doorsnede-oppervlak van een ronde buis wordt berekend met:

A = π / 4 × (D² − d²)

Daarbij is D de buitendiameter en d de binnendiameter. De binnendiameter wordt berekend als:

d = D − 2 × wanddikte

Deze eigenschappen worden meestal berekend met constructiesoftware of opgezocht in profieltabellen van constructieve holle profielen.

Hoe wordt de buigsterkte berekend?

Wanneer een stalen buis als ligger of draagconstructie wordt toegepast, is de buigbelasting vaak maatgevend. De buigspanning wordt berekend met:

σ = M / W

Hierbij is σ de buigspanning, M het optredende buigmoment en W het weerstandsmoment van de buisdoorsnede.

De berekende spanning wordt vergeleken met de ontwerpwaarde van de vloeigrens van de gekozen staalsoort. Daarbij wordt rekening gehouden met partiële veiligheidsfactoren uit de geldende Eurocodes.

Een groter weerstandsmoment resulteert bij hetzelfde buigmoment in een lagere buigspanning. Daarom is deze eigenschap bepalend bij het selecteren van een geschikte buisdiameter.

Trek-, druk- en knikbelasting

Bij trekbelasting wordt vooral gekeken naar het effectieve doorsnede-oppervlak en de treksterkte van het staal.

Bij drukbelasting is de beoordeling uitgebreider. Een stalen buis kan namelijk bezwijken door overschrijding van de drukspanning, elastische knik, plastische knik of lokale knik van de buiswand.

Vooral lange en slanke buizen zijn gevoelig voor knik. De knikweerstand wordt beïnvloed door de effectieve kniklengte, oplegging, het traagheidsmoment, de elasticiteitsmodulus, de straal van traagheid en de slankheid van de doorsnede.

Bij kolommen, funderingsbuizen en constructieve buispalen is de knikcontrole daarom vaak maatgevend.

Sterkte en stijfheid zijn niet hetzelfde

Sterkte geeft aan hoeveel belasting een stalen buis veilig kan opnemen voordat plastische vervorming, instabiliteit of bezwijken optreedt.

Stijfheid beschrijft hoeveel een buis doorbuigt onder belasting. Een constructie kan dus voldoen aan de sterkte-eisen, maar alsnog worden afgekeurd omdat de doorbuiging te groot is.

Daarom worden sterkte en doorbuiging afzonderlijk gecontroleerd tijdens een constructieve berekening.

Welke staalsoorten worden gebruikt?

De staalsoort bepaalt de mechanische eigenschappen van een stalen buis. Veel toegepaste constructiestaalsoorten zijn onder andere S235, S275, S355, S420 en S460.

Het getal achter de staalsoort verwijst naar de minimale vloeigrens in N/mm² voor bepaalde productdiktes.

Voor constructieve buizen worden onder andere staalsoorten toegepast zoals S235JRH, S275J0H en S355J2H. Deze worden gebruikt voor constructies, funderingen, bruggen, hallen, offshore-projecten en civiele werken.

Welke normen zijn van toepassing?

Constructieve berekeningen van stalen buizen worden in Europa uitgevoerd volgens de Eurocodes. Voor stalen buizen zijn vooral de volgende normen relevant:

• NEN-EN 1990 – Grondslagen van constructief ontwerp.
• NEN-EN 1991 – Belastingen op constructies.
• NEN-EN 1993 – Ontwerp van staalconstructies.
• NEN-EN 1997 – Geotechnisch ontwerp van funderingen.
• NEN-EN 10210 – Warmvervaardigde constructieve holle profielen.
• NEN-EN 10219 – Koudgevormde gelaste constructieve holle profielen.

EN 10210 en EN 10219 beschrijven eigenschappen en toleranties van constructieve holle profielen. De daadwerkelijke sterkteberekening wordt uitgevoerd volgens de Eurocodes, inclusief nationale bijlagen.

Voorbeeld van een vereenvoudigde sterkteberekening

Stel dat een stalen buis wordt toegepast als constructieve ligger. De constructeur bepaalt eerst de belasting uit het eigen gewicht, de nuttige belasting, windbelasting of andere belastingen.

Vervolgens worden de buisdiameter, wanddikte en staalsoort gekozen. Daarna worden de doorsnede-eigenschappen berekend, zoals het doorsnede-oppervlak, het traagheidsmoment en het weerstandsmoment.

Met deze gegevens worden onder meer de volgende onderdelen gecontroleerd:

• buigspanning;
• druk- of trekspanning;
• afschuifspanning;
• doorbuiging;
• knik;
• lokale stabiliteit;
• eventuele torsie;
• vermoeiing, indien van toepassing.

Pas wanneer alle controles voldoen aan de eisen uit de Eurocodes kan worden vastgesteld dat de gekozen stalen buis geschikt is voor de beoogde constructieve toepassing.

Toepassingen waarbij een sterkteberekening noodzakelijk is

Sterkteberekeningen worden uitgevoerd voor uiteenlopende toepassingen van stalen buizen in de bouw, infra, waterbouw, industrie en funderingstechniek.

• funderingsbuizen;
• buispalen;
• heipalen;
• constructiekolommen;
• liggers;
• vakwerken;
• bruggen;
• steigerconstructies;
• offshore-constructies;
• waterbouwkundige constructies;
• damwandconstructies;
• mantelbuis- en casingtoepassingen;
• industriële staalconstructies.

Bij funderingen wordt niet alleen gekeken naar de sterkte van de stalen buis, maar ook naar de interactie tussen de buis en de ondergrond. Geotechnische berekeningen zijn nodig om het totale draagvermogen van de fundering te bepalen.

Waarom bestaat er geen standaardformule?

De vraag “Hoe bereken je de sterkte van een stalen buis?” heeft geen universeel antwoord. De benodigde berekening hangt af van de functie van de buis, de belasting, de overspanning, de afmetingen, de staalsoort, de constructieve randvoorwaarden en de geldende normen.

Een volledige beoordeling combineert materiaaleigenschappen, doorsnede-eigenschappen, belastingen, stabiliteit, vervorming, veiligheidsfactoren en normering. Alleen door al deze factoren gezamenlijk te beoordelen kan worden vastgesteld of een stalen buis voldoende sterk en veilig is voor de beoogde toepassing.

Advies over de juiste stalen buis

Wilt u weten welke stalen buis geschikt is voor uw constructieve of funderingstechnische toepassing? De specialisten van Solines denken graag met u mee over de juiste afmetingen, staalsoort en beschikbare uitvoeringen.

📞 0168 – 35 66 55
📧 sales@solines.nl