Precisie ontmoet eenvoud: Innovatieve software omtrent balkberekeningen voor studenten bouwkunde

Hoe ontwerpen de toekomstige ingenieurs de balken die onze gebouwen van morgen veilig en duurzaam houden? Een nieuwe softwaretool biedt het antwoord, speciaal ontwikkeld om het leerproces van (industriële) ingenieursstudenten te ondersteunen en verbeteren.

Het belang van correcte balkberekeningen

Wellicht heeft u er nog nooit bij stilgestaan, maar balken zijn een essentieel onderdeel van elk gebouw ter wereld. Ze ondersteunen vloerplaten en vangen krachten op boven openingen zoals deuren en ramen. Vanwege hun belangrijke rol is het van groot belang dat stabiliteitsingenieurs deze balken correct berekenen. Balken kunnen variëren in hoogte, breedte, lengte en materiaal - van hout en staal tot beton - en elk materiaal vereist specifieke berekeningen. Dit maakt de leerstof voor studenten behoorlijk complex en verwarrend.

Waarom professionele software tekortschiet in de klas

Hoewel softwareprogramma’s voor de analyse en het ontwerp van gebouwen al decennialang worden gebruikt, vormen deze tools uitdagingen voor studenten. Professionele programma’s maken gebruik van de enorme rekenkracht van computers om complete gebouwen, inclusief balken, snel te analyseren en controleren. Ze berekenen de krachten op elke positie in het gebouw en controleren of het ontwerp voldoet aan de vereisten voor de gekozen dimensies en materialen.

Voor studenten die de nadruk willen leggen op het leerproces, zijn deze programma’s toch niet ideaal. Ze zijn ontworpen voor het modelleren van complete gebouwen in 3D, wat het omslachtig maakt om slechts één balk te controleren. Daarnaast bieden deze professionele tools weinig uitleg over de berekeningen en controles, waardoor het voor studenten lastig te begrijpen is hoe bepaalde resultaten worden verkregen.

Reken als een professional, leer als een student

Het programma dat tijdens de masterproef is ontwikkeld, richt zich daarom voornamelijk op studenten, maar is ook geschikt voor gebruik door professionals. De gebruikersinterface is zo ontworpen dat deze zowel gebruiksvriendelijk als intuïtief is. Dit wordt bereikt door een duidelijke en logische structuur te combineren met visuele componenten die de gebruiker ondersteunen bij het modelleren. Zo kan de gebruiker bijvoorbeeld eenvoudig de afmetingen van doorsnedes specificeren, de wapening in betonbalken modelleren en belastingen aanbrengen.

Daarnaast biedt het programma de mogelijkheid om resultaten van meerdere berekeningen tegelijkertijd op te vragen, wat het inzichtelijk maakt om correlaties te onderzoeken en verschillen te analyseren. Een belangrijk voordeel van deze tool ten opzichte van professionele software is de optie om een gedetailleerd overzicht van elke berekening op te vragen. Dit overzicht bevat stapsgewijze uitleg, inclusief formules en gebruikte rekenwaarden, waardoor studenten hun eigen berekeningen kunnen vergelijken en ervan kunnen leren.

Optimaal in één klik: Laat de tool het werk doen!

Net als professionele software biedt de ontwikkelde tool de mogelijkheid om de doorsnede van houten en stalen balken te optimaliseren. Dit houdt in dat de tool zoekt naar de kleinste doorsnede die nog steeds voldoet aan de gestelde eisen. Als de oorspronkelijke doorsnede te klein is, stelt de tool een grotere voor. Is de oorspronkelijke doorsnede echter te groot, dan wordt een efficiëntere, kleinere optie voorgesteld. Wat deze tool echt uniek maakt, is de functie voor automatische optimalisatie van wapening in betonbalken. Hierbij doet de software praktisch haalbare voorstellen voor de benodigde langs- en dwarskrachtwapening op elke positie van de balk. Dit is iets wat de meeste professionele programma’s niet bieden.

Een kijkje onder de motorkap

Het softwareprogramma is ontwikkeld met Python, een programmeertaal die perfect is voor beginners. Het programma maakt gebruik van een database om de resultaten van analyses en controles op te slaan. Dit bevordert de snelheid doordat het programma zelf weinig gegevens hoeft te beheren. Daarnaast is er een gebruiksvriendelijke interface ontworpen die alles eenvoudig en overzichtelijk houdt.

Voor het analyseren van balken wordt een Eindige Elementen Methode (EEM) toegepast. Deze methode verdeelt de balk in kleinere stukken, of elementen, die met elkaar verbonden zijn door knopen. Deze EEM berekent vervolgens de snedekrachten en vervormingen in elk knooppunt van de balk door gebruik te maken van de wetten van de sterkteleer en statica, en houdt daarbij rekening met randvoorwaarden zoals belastingen, steunpunten en de stijfheid van de balk via matrixberekeningen.

De software volgt de Belgische en Europese normen, ook wel bekend als de Eurocodes. De rekenmethodes en formules uit deze normen vormen de basis van het programma, zodat alle berekeningen voldoen aan de geldende regels en voorschriften. Dit betekent dat professionals gebruik kunnen maken van de software omdat de tool voldoet aan de regelgeving, terwijl studenten leren werken met dezelfde formules die ook in de praktijk worden toegepast.

Hoe ziet de toekomst eruit?

Een downloadbare testversie van het programma is ontwikkeld en zal tijdens het eerste semester van het academiejaar 2024-2025 worden getest door tweedejaars studenten industriële ingenieurswetenschappen van UHasselt. Tijdens deze testfase zal feedback worden verzameld over eventuele fouten en problemen, die daarna worden verholpen. Het uiteindelijke doel is om deze tool beschikbaar te stellen voor studenten industriële ingenieurswetenschappen met afstudeerrichting bouwkunde van UHasselt, zodat zij deze tijdens hun studie kunnen gebruiken. Wanneer het programma volledig geoptimaliseerd is, kan het gedeeld worden met andere hogescholen en universiteiten, om zo de ingenieurs van de toekomst voor te bereiden op het ontwerpen van de gebouwen van morgen.

Een visuele rondleiding door de software: