STRUCTURELE HERSTELLING VAN SCHEUREN IN METSELWERK. CASE-STUDIES

STRUCTURELE HERSTELLING VAN SCHEUREN IN METSELWERK. CASE-STUDIES Dionys Van Gemert K.U.Leuven, Departement Burgerlijke Bouwkunde Sven Ignoul Triconsult n.v., Leuven en Halen/Diest Abstract Mogelijke oorzaken van het ontstaan van scheuren in metselwerk worden aangeduid, en de eraan gekoppelde, specifieke scheurpatronen worden besproken. Technieken voor het structurele herstel van deze scheuren worden aangegeven. Aan de hand van voorbeelden wordt het complexe proces van scheurherkenning besproken. Daarbij wordt van de >scheurlezer= een brede constructieve kennis vereist, en wordt van haar/hem verwacht dat zij/hij zich weet in te leven in de situatie van het gebouw: zijn relatie met de omgeving (fundering) en zijn reactie op de ingrijpende belastingen, en dat gedurende de ganse voorbije levensduur van het gebouw, waarbij de stijfheids- en sterktekarakteristieken door de ouderdom wijzigden. 1. Inleiding: scheuren en schade Scheuren in gebouwen vertellen of verraden hoe de constructie reageert of gereageerd heeft op externe en interne factoren. In sommige gevallen zijn scheuren een noodkreet van het gebouw om dringende hulp. In vele gevallen echter betekenen scheuren dat het gebouw vraagt om aandacht. In tegenstelling tot de situatie in moderne, hyperstatische structuren in beton en staal, waar scheuren ten allen prijzen vermeden moeten worden, zullen scheuren in metselwerk dikwijls betekenen dat de structuur zich zelf al heeft aangepast aan de opgelegde invloeden, en dat alle onmiddellijk gevaar geweken is. Om deze redenen kunnen metselwerkstructuren >intelligente= structuren genoemd worden: door te scheuren corrigeren zij de fouten in het ontwerp en in de uitvoering, zodat zware calamiteiten zeer weinig voorkomen. Alhoewel structuren in metselwerk de ontwerpers, uitvoerders en gebruikers in bescherming nemen door te scheuren, mogen deze scheursignalen niet veronachtzaamd worden. We moeten nagaan of deze scheuren niet betekenen dat er wat hapert aan de krachtswerking in het gebouw, en dat maatregelen zich opdringen om de standzekerheid te vrijwaren. Al zouden de scheuren geen nadelig effect hebben op de veiligheid, dan nog moet nagegaan worden of deze scheuren niet nadelig zijn voor de afwerkingselementen, zoals de binnen- en de buitenpleisters. Verder moet nagegaan worden of de scheuren reeds gestabiliseerd zijn, zodat geen verergering van de toestand te verwachten valt. In dat geval kan een definitieve restauratie van de gebouwafwerking met eenvoudige procedures uitgewerkt worden. Is de toestand nog niet stabiel, dan moeten de gepaste maatregelen getroffen worden om de te verwachten verdere beweging in voldoende mate toe te laten. Een bestaand gebouw is als een patiënt met aangeboren handicaps, beschadigingen door slijtage en veroudering, door ongevallen, door brand. De architect en de ingenieur moeten de patiënt helpen zoals een dokter. De behandeling omvat vier fasen: anamnese, diagnose, therapie en prognose. In elk van deze fasen moet zonodig de hulp ingeroepen worden van specialisten, zoals bouwhistorici en gespecialiseerde technici. Sommige historische gebouwen vertonen eigen-aardigheden, welke niet voorkomen in moderne structuren. De stabiliteitsingenieur moet deze bijzonderheden leren onderkennen. In het verleden hebben sommige ingenieurs allicht grote schade toegebracht aan gebouwen door het uitvoeren van herstellings- en versterkingswerken, die tegenstrijdig waren met het inherente structurele evenwichtsmechanisme dat elk gebouw kenmerkt. Maar ook de architect moet beseffen dat de wetten van de zwaartekracht en van de structuurmechanica van toepassing

blijven op alle gebouwen, hoe oud of historisch waardevol ze ook mogen zijn. Het begrijpen van het structureel gedrag van het gebouw zal de architect toelaten om reeds in een vroeg stadium eventuele problemen te onderkennen. Hij zal de civiel ingenieur dan kunnen interpelleren over de door hem voorgestelde maatregelen, vooral als deze met een overvloed aan formules en cijfers voor de niet-ingenieur onbegrijpelijk gemaakt werden. Bij het onderzoeken van scheuren en scheurpatronen in gebouwen zijn de twee belangrijkste uitrustingselementen: een paar open ogen én een wakkere en open geest. Het gebouw moet benaderd worden zoals een zieke patiënt moet benaderd worden: men moet zich inleven in de toestand van het gebouw, er de eigenheid van trachten te doorgronden, de tijd nemen om het gebouw zelf te laten spreken. Dit vraagt enige inlevingstijd. Meestal is het nodig het gebouw van onder naar boven, en van boven naar onder te bezoeken en te onderzoeken. Eenmaal men zich juist heeft ingewerkt in de bestaans- en functioneringswereld van het gebouw, wordt meestal ook duidelijk waar het gebouw structurele mankementen vertoont, en waarom het gebouw de waargenomen uitwendige tekenen van schade, zoals scheuren, verzakkingen, uitbuilingen enz. vertoont. Een ogenblikkelijke beoordeling van de veiligheidssituatie Aop het eerste gezicht@ zal daarom bijna steeds irrelevant zijn. Eenmaal de onderzoeker een juiste inschatting heeft gemaakt van het schadebeeld, kan ook een juiste keuze gemaakt worden van de middelen welke voor een verder doorgedreven onderzoek nodig zullen zijn. 2. Scheuren in metselwerk Een breed overzicht van scheurvorming en beoordeling van scheuren wordt gegeven in [1,2]. Enkele elementen, specifiek voor metselwerk, worden hierna hernomen. In het bijzonder bij metselwerk treden scheuren op die te maken hebben met het structureel gedrag, en met het feit dat metselwerk slechts een zeer geringe trek kan opnemen, die nog vermindert met de aantasting. Enkele voorbeelden zijn getoond in figuren 1, 2 en 3: scheuren aan openingen, veroorzaakt door de uitwaaiering van de krachten; scheuren veroorzaakt door differentiële zettingen van de funderingen tengevolge van ongelijke gewichtsverdelingen; scheuren tengevolge van de dagcyclus van de zonsbestraling. Dit laatste is zowel geldig voor ronde structuren, als bij rechthoekige. Typerend hiervoor zijn de verticale scheuren die optreden aan de hoeken van gebouwen, aan de aansluiting van de gevels.

Figuur 1: Scheuren aan openingen

Figuur 2: Zettingsscheuren

Figuur 3: Scheurvorming tengevolge van zonnestraling Vooral bij bogen en gewelven in metselwerk kan de intelligentie van het materiaal metselwerk onderkend worden. Zo is eenvoudig na te gaan dat de graad van statische onbepaaldheid van het raamwerk in figuur 4 gelijk is aan 15. Was deze structuur gemaakt in gewapend beton, dan zouden belangrijke momenten optreden in de knopen en de staven. In metselwerk echter zullen de momenten, als zij willen optreden, aanleiding geven tot trekspanningen die het metselwerk doen scheuren. Hierdoor worden scharnieren gevormd, en zoals bekend vermindert met elke scharnier de graad van hyperstaticiteit met een eenheid. Het resulterende, statisch bepaalde systeem, is getoond in figuur 5. Bij gewelven treden gelijkaardige fenomenen op, maar hier is de krachtswerking iets complexer. Figuur 6 toont een sferisch gewelf. Bovenaan treden in zulk gewelf in alle richtingen (horizontale ring- of hoepelspanningen en neerwaartse of meridiaanspanningen) drukspanningen op. Beneden een tophoek van 52° worden de horizontale hoepelspanningen trekspanningen, en doen zij het gewelf scheuren volgens de meridiaanvlakken. De koepel wordt alzo gesteund door schuin gerichte steunschijven, enigszins te vergelijken met de steunstaven onder hyperbolische koeltorens van krachtcentrales. Wegens de optredende horizontale componenten van de krachten moet een spanring aan de onderrand voorzien worden.

-4-

Figuur 4: Statisch systeem voor een kerkgebouw. Hyperstaticiteitsgraad = 15

Figuur 5: Statisch bepaald dragend frame van een kerkgebouw Bij ribbengewelven is de krachtswerking wat ingewikkelder, maar dezelfde fenomenen spelen ook hier. De spatkrachten vanwege de gewelven concentreren zich nu in de kruisribben. Door deze spatkrachten worden de steunmuren zijwaarts weggeduwd. De gewelven zijn echter erg stijve en onvervormbare schalen, en volgen de zijwaartse beweging van de muren niet. Daardoor ontstaat een breukpatroon als getoond in figuur 7.

-5-

Figuur 6: Krachtensysteem in een halfcirkelvormige koepel met gescheurde benedenstrook

Figuur 7: Vervormde evenwichtstoestand van een gewelf op zijn steunkolommen Door dit breken verkleint de overspanning van de schaal, waardoor de spatkracht ook afneemt, volgens de benaderende formule uit de theorie van de kabels H = pL²/8f, met p een maat voor de belasting, L de overspanning tussen de steunpunten, en f de pijl. Extra komt er een verticale belasting vanwege de gewelven, met aangrijpingspunt aan de binnenkant van de pijlers. Hierdoor wordt een tegenwerkend koppel opgewekt aan de werking van de spatkrachten. Beide fenomenen tezamen zorgen ervoor dat de metselwerkstructuur in evenwicht blijft in de uitgebogen toestand. Dit evenwicht was echter slechts mogelijk door het scheuren van het metselwerk.

-6-

Ook kunnen scheuren in niet-dragende elementen wijzen op gebreken. Zo bijvoorbeeld in een metselwerkmuur welke op een al te vervormbare balk of plaat steunt neemt, figuur 8. Belangrijke scheuren kunnen optreden bij opgelegde verplaatsingen, bijvoorbeeld aan defecte opleggingen, bij differentiële zettingen van de funderingen, door differentiële thermische verplaatsingen tijdens het gebruik of bij het hardingsproces van betonelementen. Een temperatuursgradiënt in vloerplaten zal doorbuiging van de platen en uitbuiging van de steunkolommen veroorzaken. Temperatuursgradiënten in structuurelementen roepen steeds verplaatsingen en rotaties op. Worden deze verhinderd dan kunnen zeer grote spanningen optreden, zelfs bij kleine uitwendig waarneembare vervormingen.

Figuur 8: Scheuren in metselwerk op een doorgebogen draagbalk In bepaalde gevallen kan de structuur begeven door extreme samendrukking, trek, buiging, afschuiving, doorponsen, knik of een combinatie van effecten. Het begeven kan plots en bros gebeuren, of progressief met toenemende scheuropeningen en grote vervormingen. Ogenschijnlijk onbelangrijke dingen als de ophoping van water op platte daken door een verstopte waterafvoer, kunnen catastrofale gevolgen hebben. Een verdere belangrijke scheuroorzaak in metselwerk zijn de zettingen en vooral de differentiële van de funderingen. Deze kunnen verschillende oorzaken hebben: - verschillend draagvermogen van de grond, vb deels ophoging, deels uitgraving; - verschillende belastingen ; - verschillende soorten funderingen, vb deels op zool en deels op palen; - verandering van de grondeigenschappen, vb door vorst- en dooi of door grondwaterverlaging. Wanneer in een constructie schuine of gebogen onderdelen voorkomen, kunnen hierdoor horizontale spatkrachten ontwikkeld worden. Dit is dikwijls het geval bij daken, figuur 9.

-7-

Figuur 9: Spatkrachten in een A-spant, opgenomen door een trekker of in de vloer De schade wordt vermeden door de onderzijde van de spantbenen te verbinden met een trekker. Als de vloer deze functie van trekker moet waarmaken, moet deze natuurlijk daartoe voldoende capaciteit hebben. Ontbreekt de nodige continuïteit in de vloer, dan zullen scheuren en uitbuigingen optreden, als getoond in figuur 10.

Figuur 10: Scheurvorming tgv spatkrachten, als de vloer de trekkerfunctie niet aankan Deze toestand wordt nog verergerd wanneer de spanten steunen op borstweringen in metselwerk, figuur 11.

Figuur 11: Horizontale scheuren boven de vloer bij borstweringsmuurtjes, belast door

-8-

spatkrachten Daarbij zullen de borstweringsmuurtjes sterk naar buiten gaan overhellen, en zullen horizontale scheuren optreden juist boven de aansluiting van vloeren en muurtjes. Dergelijke vervormingen kunnen slechts vermeden worden door de spanten een voldoende stijfheid te geven, of door de belasting op de spanten te verminderen door ze te ondersteunen met een stijve nokbalk. Verdere scheurvormingen kunnen nog ontstaan door temperatuurschommelingen, door vocht en door chemische reacties. Temperatuurscheuren zullen vooral optreden daar waar materialen met een verschillend uitzettingsgedrag samengevoegd werden. Ongecontroleerde droging van de materialen kan eveneens oorzaak van scheuren zijn. Chemische reacties treden op bij de uitharding van de materialen, en gaan meestal gepaard met krimp, en eventueel krimpscheuren, en verder bij corrosie van ankers of wapeningen. 3. Case study: Academiezaal Sint-Truiden De academiezaal werd gebouwd tussen 1843 en 1845, naar een ontwerp van architect Roelandt. Het zaaltje met de gradijnen heeft een achthoekig grondplan, en wordt omgeven door gaanderijen en een podium aan de noord-oostzijde. De buitenmuren zijn opgebouwd uit baksteenmetselwerk, met een hardstenen plint. Een bakstenen muur onder de aansluiting van gradijnen aan rondgangen, diende verder als ondersteuning voor de acht houten kolommen die het plafond en de dakconstructie ondersteunen. Een schetsmatige doorsnede van het gebouw is getoond in figuur 12. Buiten de buitenmuren en de vermelde ondersteuningsmuur was de ganse structuur opgebouwd met houten elementen.

Figuur 12: Doorsnede Academiezaal Bij het vooronderzoek in 1991 kon vastgesteld worden dat binnenin het gebouw erge verzakkingen waren opgetreden: zo was de tweede kolom rechts van het podium aan de voet ongeveer 225 mm verzakt tegenover de andere kolommen. Ook in de gevels was een intense en brede scheurvorming aanwezig, als getoond in figuur 13 voor de noordgevel.

-9-

Figuur 13: Scheurvorming in de noordgevel (scheuropeningen in cm) Uit de sonderingen bleek dat de bovenlaag van de grond bestaat uit een onbetrouwbare puinaanvulling met een dikte tot ongeveer 4m. Daaronder volgt een opeenvolging van slappe klei of leemlagen, die soms wat zandhoudend zijn. De goede, draagkrachtige lagen worden pas gevonden op dieptes tussen 17 en 19 m. Door het graven van negen putten naast de funderingen kon vastgesteld worden dat de funderingsmuren erg ondiep werden aangezet, namelijk op een diepte van 0.4 tot 0.6 m onder

- 10 -

het vloerniveau, behalve aan de gevel langs de Plankstraat waar het funderingsmetselwerk werd aangezet op 2 m onder het vloerniveau. Dit metselwerk neemt steun op een losse stapeling van bouwpuin, waarschijnlijk afkomstig van een vroeger gebouw op dezelfde plaats. Op verschillende plaatsen steunden de muren op dwarslopende oude funderingsmuren. Waar het bouwpuin ten tijde van de bouw in 1843-1845 een erg vaste ondergrond mag geleken hebben, is dat door de erosie sterk veranderd. Door deze erosie is het bouwpuin onvast geworden, en door de slechte ondergrond zijn differentiële zettingen opgetreden, evenals grote zettingen tengevolge van de inklinking van het bouwpuin. De oude funderingsmuren vormen vaste punten, die de differentiële zettingen nog versterken. Deze situatie vertaalde zich in intense scheurvorming en scheefstanden van het gevelmetselwerk. Barsten tot 11 cm opening waren opgetreden, en buitenwaartse uitbuilingen tot 8 cm. Deze uitbuilingen werden mede mogelijk doordat sommige balkuiteinden van de horizontale trekkerbalken in de buitenmuren volledig gerot waren. Dit had tot gevolg dat sommige muurpartijen vrij stonden over een hoogte tot 10 m, voor een dikte van 50 cm. Om deze redenen werd geopteerd om het ganse gebouw op een nieuwe fundering te plaatsen, bestaande uit micropalen, verbonden met koppelbalken en ringbalken onder de muren, als getoond in figuur 14.

Figuur 14: Inplantingsplan funderingspalen en schema ring- en koppelbalken Deze nieuwe fundering werd zo ontworpen dat in eerste fase de ganse binnenstructuur van gradijnen en gaanderijen kon ontmanteld worden, en dat nadien een nieuwe kelder, gradijnen en gaanderijen in gewapend beton bijkomend aan deze paalfundering konden opgehangen worden. De nieuwbouw van de foyer werd op staal gefundeerd, waarbij de zettingen beperkt worden door de grondontlasting tengevolge van de diepe kelder. Aan de aansluiting tussen foyer en Academiezaal werd eveneens een soepele verbinding aangebracht, om eventuele differentiële zettingen op te vangen. De belangrijkste scheuren, waarvan sommigen aangeduid in figuur 13, werden verankerd met gekartelde ankerstaven i 25 mm, ingelijmd met dunvloeibaar epoxyhars, als getoond in figuur 15. Een tussenafstand van 0,5 m tussen de ankers werd aangehouden. De scheuren werden verder geconsolideerd met een cementspecie.

- 11 -

Figuur 15: Principe verankering scheuren 4. Case study: Sint-Quintinuskerk te Zonhoven In het pleisterwerk van de muren van het schip van de Sint-Quintinuskerk te Zonhoven is een belangrijke scheurvorming opgetreden ter hoogte van de kolombogen en de zijvensters. Een voorbeeld van de scheuren ter plaatse van de aansluiting van het schip met het koor is getoond in figuur 16. Voor de uitwerking van de verdere restauratie van het interieur stelde zich de vraag naar de oorzaken van deze scheurvorming, en of deze scheuren al dan niet gestabiliseerd waren. Daarbij werd opgemerkt dat sinds de laatste schilderwerken van het interieur in de jaren 60 de scheuren zich blijkbaar opnieuw aftekenden in het pleisterwerk. Bij een eerste onderzoek ter plaatse werd vastgesteld dat de meeste scheuren een wel bijzonder patroon vertoonden, met namelijk de grootste scheuropening onderaan ter hoogte van de kolombogen, en sluiting van de scheuren meer bovenaan in het metselwerk. Het globale scheurschema is getoond in figuur 17.

- 12 -

Figuur 16: Typische scheurvorming in schipmuur Sint-Quintinuskerk te Zonhoven

Figuur 17: Overzicht scheuren in zijgevel schip (westzijde) Uit het onderzoek van de funderingen en de grondgesteldheid werden volgende elementen afgeleid: - de voorgevel (zuid) van de kerk is gefundeerd op een houten paalfundering - de kolommen zijn gefundeerd op een zool, met een vermoedelijke aanzetdiepte van 1,5 m - het koor is gefundeerd op alluviale lagen naast de Roosterbeek, met een aanzetdiepte van 2 m.

- 13 -

Daardoor is er een toenemende vervormbaarheid van de funderingsbodem, welke berekend werd als volgt: - verwachte zetting voorgevel (zuid) 0 mm - verwachte zetting kolommen 40 mm - verwachte zetting koor 61 mm Rekening houdend met deze zettingen konden het zettingsbeeld en het bijhorend scheurpatroon uit figuur 18 gereconstrueerd worden, die bijna perfect passen met de waarnemingen in de kerk:

Figuur 18: Reconstructie zettingen en scheurbeeld schipmuur kerk Daaruit konden volgende belangrijke besluiten getrokken worden: - de opgetreden scheurvorming is wel degelijk te wijten aan differentiële zettingen van de funderingen; - de zettingen van de funderingen zijn nagenoeg volledig voltooid, zodat geen extra zettingen moeten gevreesd worden, tenzij de grondkarakteristieken zouden veranderen door bijvoorbeeld verlaging van de grondwatertafel; - het opnieuw aftekenen van de scheuren in het pleisterwerk is te wijten aan thermische werkingen en ‘reflective cracking’, omdat de scheuren niet hersteld werden; - de scheuren moeten geconsolideerd worden, om hernieuwd aftekenen van de scheuren doorheen het vernieuwde pleisterwerk te beletten. Op basis van deze besluiten werd voorgesteld om de scheuren te consolideren met een ternair kalk-puzzolaan-cement specie, in combinatie met een mechanische verankering volgens het principe in figuur 19.

- 14 -

Figuur 19: Mechanische verankering scheuren in metselwerk 5. Besluiten Gesteund op een degelijke voorstudie van de standzekerheidsproblemen, inzonderheid de scheurvorming in bestaande gebouwen, kunnen de echte probleemoorzaken onderkend en nadien verholpen worden. Alleen mits het nodige inlevingsvermogen op te brengen, kan de onderzoeker de echte problemen van het gebouw blootleggen, en dus ook de geëigende herstellingsmaatregelen uitwerken. Als deze maatregelen inspelen op de echte probleemoorzaken, zullen zij meestal erg beperkt kunnen blijven, omdat zij niet zullen raken aan de bestaande capaciteiten van het gebouw. Op dergelijke wijze doordachte herstellings- en versterkingsmaatregelen zullen de bestaande capaciteiten van het gebouw niet overlappen, maar alleen aanvullen daar waar het echt nodig is. Een dialoog tussen gebouw en ontwerper/ingenieur is dus onontbeerlijk. 6. Referenties 1. Van Gemert, D., Vernieuwbouw, cursustekst K.U.Leuven, Uitgave VTK-H126, 2001 2. Kluwer, Handboek Onderhoud Renovatie en Restauratie, 2001 3. Van Gemert D., Ladang C., Janssens H., Vooronderzoek restauratie academiezaal te SintTruiden, Laboratorium Reyntjens, rapport R/26916/91 4. Ignoul, S., Van Gemert D., Standzekerheidsanalyse Sint-Quintinuskerk te Zonhoven, dossier Triconsult D/00233/02

- 15 -