1
Combinatie staalvezels en traditionele wapening in keldervloeren Groninger Forum
Hybride beton in vrijdragende vloeren 52
42014
Hybride beton in vrijdragende vloeren
ing. Michael Menting ir. Miriam Molenwijk ABT
1 Artist’s impression Groninger Forum
Op steenworp afstand van de Martinitoren wordt
deze constructieve vloer geïntegreerd; in de vloer zijn lokaal verdikte stroken en poeren aangebracht (zie ook artikel ‘Geavanceerd rekenen aan poeren’, Cement 2014/3). De gebieden rond deze poeren zijn van een zandbed met werkvloer/ uitvullaag voorzien.
bron: NL Architects
2 Doorsnede van het gebouw met vide
gebouwd aan het Groninger Forum, een indrukwekkend gebouw dat ruimte moet bieden aan diverse culturele activiteiten. Ondergronds komt een vijflaagse parkeergarage met een aantal interessante innovaties in de betonconstructie. Zo worden de
Waterdichte keldervloer
keldervloeren, inclusief de vrijdragende parkeervloe-
Ontwerptechnisch is de toelaatbare theoretisch karakteristieke bovengrens van de scheurwijdte beperkt tot 0,05 mm (gebaseerd op fig. 10.1 uit [1]). Door spreiding in het materiaalgedrag bestaat de kans dat een iets hogere scheurwijdte kan worden gevonden. Bij een scheurwijdte van 0,05 mm is de hoeveelheid lekdebiet beperkt. Door de langzame stroomsnel-
ren, gewapend met een combinatie van staalvezels en traditionele wapening.
Het Groninger Forum is een imposant gebouw. De tienlaagse bovenbouw is indrukwekkend, de vijflaagse parkeerkelder is constructief gezien minstens zo interessant. Dit komt door de aanzienlijke diepte, de grote omvang en de veelheid aan eisen. Zo moet de gehele parkeergarage waterdicht worden uitgevoerd. Door de grote waterdruk tegen de onderzijde van de constructie vormt dit alleen al een grote uitdaging. Verder zorgt de grote lengte van de kelder voor krimp in alle vloeren. Daarnaast hebben de parkeervloeren aanzienlijke overspanningen die worden uitgevoerd in vlakke plaatvloeren. Dit resulteert in een gerede kans dat dwarskracht- en ponswapening moet worden toegepast. Tot slot bevindt zich over de gehele diepte van de parkeergarage een vide die horizontaal spanningen in de vloeren veroorzaakt (fig. 2). Bovenstaande eisen hebben geleid tot de keuze voor hybride gewapend beton, ofwel traditioneel gewapend beton verrijkt met staalvezels, als materiaal voor de kelder- en parkeervloeren. Deze wijze van wapenen is al eerder succesvol toegepast bij andere projecten. Het materiaal is geschikt voor het bereiken van een hoge kwaliteit met betrekking tot scheurwijdtebeperking en oppervlaktetaaiheid. En door slim te construeren, kan de constructie daarbij met minder materiaal worden ontworpen.
vide
2
Twee onderdelen van de constructie worden in het navolgende specifiek toegelicht: de keldervloer en de erboven gelegen parkeerdekken.
Artikelenserie Groninger Forum Opbouw kelder
Dit artikel is het laatste deel in een serie van drie
De kelder is opgebouwd uit meerdere parkeerlagen. Het laagste punt van de bakconstructie is de onderwaterbetonvloer. Het onderwaterbeton is in staalvezelbeton uitgevoerd zodat de dikte beperkt kan blijven (zie artikel ‘Rekenen aan onderwaterbeton met vezels’, Cement 2014/2). Boven de onderwaterbetonvloer wordt een constructieve waterafdichtende betonvloer geplaatst (500 mm dik, fig. 3). De funderingsconstructie is in
over het Groninger Forum. Dit derde deel gaat in op de water-
Hybride beton in vrijdragende vloeren
dichte vezelversterkte hybride gewapende kelder- en parkeervloeren. In het eerste deel is ingegaan op de onderwaterbetonvloer en in het tweede deel op de geavanceerde EEM-berekening van de funderingspoeren. Deze artikelen zijn te raadplegen op www.cementonline.nl.
4 2 014
53
3 Doorsnede van de constructie 4 Principe bond slip
Om grote problemen te voorkomen, is de toepassing van een krimparm betonmengsel geadviseerd. Het toepassen van een water-bindmiddelfactor van circa 0,48, langzaam reagerend cement en vliegas heeft voordelen ten opzicht van de totale krimpmaat. Door het toepassen van een langzaam reagerend cement en vliegas zal de ontwikkeling van sterkte langzaam verlopen. Hierdoor zal ook het krimpproces langzamer verlopen en heeft het verse beton de kans te relaxeren. Geprobeerd is ook het totale bindmiddelgehalte zo laag mogelijk te houden. Echter door toepassing van de vezels is een hogere verwerkbaarheid, en daarmee meer water dus ook cement, noodzakelijk dan wanneer geen vezels zouden worden toegepast. Een voordeel voor de thermische krimp is overigens dat de keldervloer zich in een constant klimaat bevindt door de enorme grondmassa waarmee hij contact maakt. In Nederland is bekend dat onder een grondpakket van circa 1 m een constante temperatuur van circa 12 °C heerst.
overige parkeervloeren
-5-vloer, gestort op een werkvloer 3
poer of werkvloer
heid zal de scheur immers weer kunnen dichtgroeien. Dit komt door sediment dat wordt meegenomen door het water en ‘aankoekt’ op het grove oppervlak. Verder wordt het dichtgroeien veroorzaakt door het reageren van het nog ongebonden cement en kalk in het beton tot cement/kalksteen.
Hybride gewapend beton Om aan de eis voor scheurwijde te voldoen, werden de kansen voor traditioneel gewapend beton op voorhand klein geschat. Vooral de grote hoeveelheid traditionele wapening die hierdoor noodzakelijk zou zijn, zou uitvoeringstechnisch erg lastig en bovendien kostbaar zijn. Daarom is de mogelijkheid voor toepassing van hybride wapening onderzocht. Voordeel van deze toepassing is dat de vezels zorgen voor een fijnmazig scheurenpatroon over het vloeroppervlak, waardoor gemakkelijker aan de scheurwijdte-eisen kan worden voldaan. Ook hebben de vezels een positieve invloed op de benodigde krimpwapening. Het feit dat er minder wapening nodig is, heeft ook uitvoeringstechnisch voordelen. Er hoeft immers minder wapening traditioneel te worden gevlochten en de te verwerken wapening op de bouw zal ook lichter zijn.
Opgelegde vervorming Omdat de onderwaterbetonvloer voor de definitieve fase niet waterdicht wordt beschouwd, ontstaat een waterdruk aan de onderzijde van de -5-vloer. Deze bedraagt circa 8,5 m waterkolom. De vloer wordt verder hoofdzakelijk belast door verhinderde vervorming. Door de grote verhouding van de waterdruk ten opzichte van de constructiehoogte en vanwege de eis voor waterdichtheid, moet de constructie voldoen aan strenge eisen op het gebied van scheurwijdte. Omdat de volledige dikte van 500 mm als waterafsluitende constructie wordt meegeteld, geldt de scheurwijdte-eis over de gehele dikte van de vloer. De keldervloer zal horizontaal willen krimpen. Deze vervorming wordt echter verhinderd door wrijving met de ondergrond en de aansluiting met diepwanden, palen en poeren. Vooral tussen de stijvere gedeelten zullen de spanningen door deze verhinderde vervorming aanzienlijk zijn. Door de combinatie van een strenge toelaatbare scheurwijdte en de verhinderde vervorming, is het ontwerp van dit constructieve onderdeel zeer kritisch. Het ontwerp van deze vloer is dan ook hoofdzakelijk gebaseerd op dit fenomeen in combinatie met de optredende waterdruk. De vervormingen in de betonvloer worden hoofdzakelijk veroorzaakt door uitdrogingskrimp, afkoeling (thermische krimp) en in mindere mate ook autogene krimp als gevolg van de cementreactie. De afkoeling volgt na de opwarming van het beton door hydratatiewarmte die vrijkomt bij de reactie van cement met water. Dit speelt vooral bij constructiedikten groter dan enkele decimeters.
54
42014
0,00030 rek beton rek staal
0,00025 0,00020 0,00015 0,00010 0,00005 0 4
0
20
40
60
80
100
120
-0,00005
Hybride beton in vrijdragende vloeren
5 Opgelegde rek in de gebruikers fase met daarnaast de vloerconstructie wanneer deze niet zou worden verhinderd
ε = 0,4%
gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom
bovenzijde vloer vloer zonder verhitting
5
ε = 0,05%
ondergrond
Controle scheurwijdte keldervloer Om te beoordelen of de scheurwijdte voldoet, is de krachtswerking in de vloer nauwkeurig berekend. Uitgangspunt hierbij was een volledige verhindering van de betonplaat. In de berekening is de constructie opgedeeld in meerdere doorsneden. Hierbij is voor een standaarddoorsnede, die geldt voor een groot gedeelte van de vloer, de wapeningsconfiguratie bepaald. Bij doorsneden waar grote normaaltrekkrachten aanwezig zijn, wordt extra traditionele wapening bijgelegd. Om te zorgen dat de spanningen goed worden verdeeld over de hoogte van de doorsneden, wordt de bijlegwapening in het midden van de hoogte bijgelegd. Het bijleggen in de netten aan de randen is relatief weinig effectief. De randen zijn immers al betrekkelijk zwaar gewapend. Het bijleggen in dezelfde lagen zou zorgen voor een slechtere verankering van het al aanwezige wapeningsstaal. Omdat met relatief dunne staven en vezelbeton wordt gewerkt, is er sprake van goede omsluiting van de wapening. Om deze reden mogen de staven worden berekend volgens het principe confinement. Bij het toepassen van zware wapening aan de randen moet er rekening mee worden gehouden dat scheurvorming ontstaat parallel aan de wapening. Dit heeft een negatief effect op de ‘bond’ van de wapening. Hierdoor is een grotere verplaatsing noodzakelijk om de spanningen in het staal over te dragen naar het omliggende beton. Deze grotere verplaatsing houdt in dat er een grotere scheurwijdte ontstaat. De scheurwijdteberekeningen zijn uitgevoerd volgens het bond-slipmodel van de fib Model Code 2010 (fig. 4). Dit model rekent bij een verplaatsing de spanning in het aanhechtvlak uit en daarmee de verankeringslengte (bij de opgegeven aanhechtcondities). Door de toepassing van de staalvezels als aanvulling op de traditionele wapening, kan de staalspanning in de wape-
ning na scheuren worden beperkt tot circa 54 MPa. Dit is een zeer lage staalspanning waardoor de scheurwijdte doelmatig wordt beperkt. Doordat de vloer vanaf de bovenzijde uitdroogt en op deze plek de grootste afkoeling plaatsvindt, wordt de vloer hoofdzakelijk belast op kromming (fig. 5). Daardoor worden het midden en de onderkant van de constructie hoofdzakelijk belast in de jonge fase van het beton, waarin het beton nog enigszins plastisch is. Bij deze ouderdom is de betontreksterkte laag en zal bij het scheuren minder scheurenergie vrijkomen. Aan de onderzijde en het midden van de vloer zijn dan ook relatief lage staalspanningen gevonden na het scheuren, circa 20 MPa. Hier tegenover staat dat de vezelprestaties in het geval van jong beton iets minder zijn vanwege de aanhechting die afhankelijk is van de sterkteklasse.
Vergelijking traditionele wapening De variant met hybride beton is vergeleken met een variant met alleen traditionele wapening. Bij een volledig traditioneel gewapende constructie is veel wapening noodzakelijk (fig. 6, tabel 1). Om een waterdichte constructie te bereiken, moet de staalspanning in een scheur in de SLS worden beperkt tot onder de 100 MPa. Deze waarde is gebaseerd op ervaringen van eerder ontworpen waterdichte constructies. In de hybride gewapende constructie is de staalspanning zoals gezegd beperkt tot 54 MPa. De theoretisch berekende scheurwijdte van de hybride gewapende constructie is dus veel kleiner. Uit tabel 1 blijkt dat een constructie die fors wordt belast door verhinderde vervorming aanzienlijk economischer kan worden gewapend met hybride wapening. Onder voorbehoud van
Tabel 1 Vergelijking hybride wapening en traditionele wapening
gewicht traditionele wapening gewicht staalvezels totaal staal
Hybride beton in vrijdragende vloeren
hybride wapening
traditionele wapening
33 kg/m2
161 kg/m2
17,5 kg/m
0
51 kg/m2
161 kg/m2
102 kg/m3
322 kg/m3
2
4 2 014
55
6 Vergelijking hybride en traditioneel 7 Langsdoorsnede met alle parkeerlagen en een aanzet van de bovenbouw bovenwapening bovenwapening
c = 40 500
500
c = 35 1000
1000
uitvullaag uitvullaag
c = 35
c = 40
1000
uitvullaag uitvullaag
1000
c = 35
onderwapening onderwapening net ø net 12 -ø150 12 - 150
onderwapening onderwapening 25 - 150 net ø net 25 -ø150 onderwapening onderwapening 12 - 100 net ø net 12 -ø100
c = 35
staalvezels staalvezels 35 kg/m 35 3kg/m3
500
net ø net 16 -ø150 16 - 150
500
c = 40
bovenwapening bovenwapening
c = 40
net ø net 12 -ø100 12 - 100 bovenwapening bovenwapening 32 - 150 net ø net 32 -ø150
6
goed goed verdichte verdichte ondergrond ondergrond
goed goed verdichte verdichte ondergrond ondergrond
verschillende omstandigheden kan worden aangenomen dat staalvezels circa 10% duurder zijn dan traditionele wapening (uitgaande van geplaatste wapening, dus integrale kostprijs).
gronddrukken op de kelderwanden die via de parkeervloeren worden afgedragen (fig. 9). Zonder vide zouden deze krachten aan weerszijden van de kelder evenwicht met elkaar maken en alleen drukspanningen in de vloeren veroorzaken. Door de aanwezigheid van de vide ontstaan ook momenten in het vlak van de vloer. Grond- en waterdrukken zullen via de vloeren op dwarskracht en buiging naar de gebouweinden bij de kernen worden afgedragen. Ter plaatse van het gebouweinde ontstaat pas evenwicht. Deze dwarskrachten en momenten vergen extra wapening in de vloer, waarvan ook weer een deel door de vezels kan worden opgenomen.
Vrijdragende parkeervloeren Vanuit de keldervloer worden de parkeervloeren in een wokkelvorm naar boven gebouwd. De vloeren zijn ter plaatse van de uiteinden van de kelder, waar zich de stabiliteitskernen bevinden, horizontaal gelegd. Dit maakt de aansluitingen met deze kernen eenvoudiger. De tussendelen worden onder een helling tussen deze vlakke vloerdelen gelegd (fig. 7 en 8). Er is in het ontwerp uitgegaan van vlakke plaatvloeren van 400 mm dik met overspanningen tussen de 7,2 en 9,0 m. Dit zou bij traditioneel gewapende vloeren leiden tot ponswapening ter plaatse van de kolomaansluitingen. Daarnaast worden dooizouten door auto’s mee naar binnen genomen die, op basis van de bijbehorende milieuklasse, leiden tot strenge eisen aan de optredende scheurwijdte in de vloer. Dit zijn omstandigheden die passen bij de keuze van toepassing van hybride wapening. Daarom is ook voor de vrijdragende parkeervloeren deze toepassing onderzocht. Met toepassing van vezels naast traditionele wapening mogen de toelaatbare spanningen in het beton zowel voor dwarskracht als voor pons worden verhoogd. Hierdoor is minder traditionele wapening voor dwarskracht en pons nodig boven op de traditionele momentwapening. Ook hier is, net als bij de keldervloer, de positieve invloed van de vezels op de benodigde krimpwapening van toepassing. Een ander punt van aandacht is de grote vide in de parkeervloeren. Deze vide veroorzaakt extra spanningen door de
56
Om bovenstaande redenen is ervoor gekozen ook in de vrijdragende vloeren vezels in het beton toe te passen. Nooit eerder gebeurde dit in Nederland op deze grote schaal.
7
4 2 014
Hybride beton in vrijdragende vloeren
8 Plattegrond ondersteuningen inclusief aangegeven vlakke en schuine vloerdelen 9 Plattegrond met vide en waterdruk 10 Aangehouden materiaalveiligheid
vlak
hellend
vide
vlak -4.07
-4.07
-4.08
-4.08
hellend
8
9
Innovatie hybride gewapend beton CUR-Aanbeveling 111 (Staalvezelbeton bedrijfsvloeren op palen – Dimensionering en uitvoering, hierna CUR111) die, zoals beschreven in deel 1 van deze reeks, wordt gebruikt voor de berekening van hybride gewapende vloeren, is alleen toepasbaar voor beganegrondvloeren die puntvormig zijn ondersteund. Hierbij dienen geen verblijfsruimten te zijn gelegen onder de vloer. Toen deze CUR111 werd opgesteld, was er relatief weinig onderzoek uitgevoerd naar vezelversterkt beton. Om die reden is de Aanbeveling op sommige punten conservatief en is de toepasbaarheid ervan beperkt gehouden. Inmiddels is er veel meer onderzoek uitgevoerd naar staalvezelbeton en hybride gewapend beton. Voor het Groninger Forum is het veiligheidsniveau statistisch bepaald. Hierbij zijn de veiligheidsfactoren die betrekking hebben op de capaciteit van het vezelbeton verhoogd. In figuur 10 staat een overzicht van de aangehouden materiaalveiligheid. De lijn toont de cumulatieve normaalverdeling uitgezet op een logaritmische schaal. De standaarddeviatie is berekend op basis van materiaalbeproevingen en modelonzekerheid. In de praktijk is een methode gevonden waarbij met een speciaal ontwikkeld rekenmodel de capaciteit van doorsneden met een combinatie van vezels en traditionele wapening wordt bepaald. Op deze rekenmethode wordt in dit artikel niet in detail ingegaan. Wel kan worden gesteld dat het model is opgesteld conform de rekenmethoden van de fib Model Code 2010 en de CUR111. Het rekenmodel is geijkt op basis van beproevingen en blijkt uiterst nauwkeurig. Daarbij worden bij het gebruik van het reken-
10
-9
-8
-7
-6
-5
kans
reeks 1
-4
-3
-2
1 0 0,1 0,01 0,001 0,0001 veiligheid 0,00001 volgens CUR 0,000001 0,0000001 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 veiligheid in 1E-14 deze berekening aangehouden 1E-15 1E-16 -1
model conservatieve waarden voor de materiaalparameters ingevoerd die nodig worden geacht in verband met nu nog ontbrekende regelgeving. De krachtswerking in de vloeren wordt bepaald met behulp van de rekenmodellen in Scia Engineer. Dit zijn dezelfde modellen die ook zijn gebruikt voor de krachtswerking in de totale gebouwconstructie. Uit deze modellen zijn de verschillende vloerdelen geïsoleerd. Door het combineren van de krachten en spanningen uit deze modellen met de capaciteitsberekeningen van de diverse soorten wapening, zijn de vloeren gewapend. Aan de hand van deze pragmatische methode is het grote parkeervloeroppervlak – met een aantal repeterende vloerdelen – op relatief snelle wijze gedimensioneerd. Extra aandacht is vereist ter plaatse van de stortnaden waar geen doorgaande vezels aanwezig zijn. Hier is dan ook extra traditionele wapening toegevoegd. Krachten en momenten worden ter plaatse van de stortnaden volledig door traditionele wapening opgenomen.
Conclusie Het toepassen van hybride gewapend beton biedt vele voordelen. In het innovatietraject van dit materiaal is met de parkeervloeren van het Groningen Forum een volgende stap gezet. In een groot oppervlak van vrijdragende vloeren wordt de hoeveelheid traditionele wapening beperkt door de toepassing van vezelversterkt beton. Door te rekenen met conservatieve, karakteristieke materiaalsterkten en een hoge veiligheidsfactor wordt voldaan aan het veiligheidsniveau van de NEN-EN 1990. ☒
● Projectgegevens
project Groninger Forum opdrachtgever Gemeente Groningen architect NL Architects constructieadvies ABT hoofdaannemer BAM Utiliteitsbouw ● Literatuur
1 Breugel, K. van, Veen, C. van der, Walraven, J.C., Betonconstructies onder Temperatuur- en Krimpvervormingen (BP2). Uitgeverij Æneas, 2001.
standaarddeviatie
Hybride beton in vrijdragende vloeren
4 2 014
57
