2 Funderings­ herstel met vezelwapening 1 Literatuur­ en variantenstudie voor toepassing vezelwapening bij funderingsherstel Funderings herstel met vezelwapening 2015 3 Funderingsherstel Paalfunderingen of een vereenvoudigde versie daarvan werden in Nederland vanaf de 13e eeuw toegepast. In de 13e eeuw bestonden ze uit roosters met daarin slieten van elzenhout (paaltjes die 2 m diep de grond in werden geheid). In de 14e tot 16e eeuw begonnen de funderingen te lijken op de Amsterdamse paalfundering. De palen (dennen) werden dieper (5-7 m) en op kleef geheid. Vanaf de 17e eeuw werd de Amsterdamse paal- fundering toegepast (fig. 2). Bij deze fundering werd op stuit geheid (heien op de eerste zandlaag). Door droogstand en/of bacteriële aantasting zijn veel houten paalfunderingen niet meer goed in staat om belasting over te dragen op de ondergrond (foto 3 en 4). Daarnaast kan sprake zijn van toenemende negatieve kleef en verkeert het metsel- werk soms in slechte staat (verzadigd metselwerk). Dit zorgt voor zakkingen, wat kan leiden tot scheurvorming en andere schadebeelden. Verwacht wordt dat deze problemen zullen optreden bij 200 000 bestaande woningen in Nederland in de komende twintig jaar. Deze woningen zijn soms monumentaal en beeldbepalend. Sloop is hier geen optie. De funderingen van deze woningen moeten worden hersteld; de oude fundering moet met een nieuwe worden ontlast. Hierbij zijn de volgende constructies mogelijk:? de tafelconstructie ? een constructie met randbalken en consoles ? een voorgespannen balkconstructie ? palen in de bouwmuur ? paalkopverlaging In het afstudeeronderzoek is uitgegaan van de tafelconstructie. Bij een dergelijke constructie wordt een beganegrond- of souterrainvloer in het werk gestort (het tafelblad) en aange- bracht op nieuwe funderingspalen (tafelpoten) (fig. 5). Het tafelblad vervangt vaak de bestaande vloer. Door het tafelblad in de bestaande dragende bouwmuur in te kassen, wordt de belasting vanuit het pand (of panden) overgedragen op de nieuwe palen. De wapening in de vloer wordt in verband met beperkte werkruimte en weinig repetitie vaak geheel in het werk gevlochten. Alleen de kaswapening wordt vaak prefab aangeleverd. Staalvezelwapening biedt hier een uitkomst. Staalvezelwapening Met staalvezelwapening kan een deel van de traditionele wape- ning in de vloer achterwege blijven. Dit zorgt voor een afname van arbeidsloon en uitvoeringstijd. Volledige vervanging van traditionele wapening door staalvezels is niet mogelijk. Als sprake is van verhinderde krimp moet bijvoorbeeld altijd stan- daard wapening worden toegevoegd. De vezels in staalvezelbeton zijn in alle richtingen georiënteerd. Als een balk gewapend met staalvezels tot vloeien wordt belast, worden de vezels in principe allemaal ongelijk belast. Dit heeft tot gevolg dat de eerste vezels breken als de andere vezels het Constructieve vezelwapening kan traditionele wapening in beton deels vervangen. Welke vezelty - pen kunnen hiervoor worden toegepast? En zijn er voordelen aan het gebruik van vezels bij toepassing funderingsherstel? Tijdens een afstudeeronderzoek aan de Hogeschool van Amsterdam is hier onder - zoek naar verricht [1]. Hiervoor is een literatuurstu- die uitgevoerd en zijn voor een voorbeeldproject drie verschillende varianten uitgewerkt en vergeleken: traditioneel gewapend, hybride gewapend en grotendeels met staalvezel gewapend beton. ing. Tom Godthelp Student master Structural Design TU/e 1) 1 Onderzocht grachtenpand aan de Leidsegracht in Amsterdam (tweede van links) 1) Tom Godthelp is met het onderzoek 'De toepassing van vezelwapening bij traditio- neel funderingsherstel' afgestudeerd aan de Hogeschool van Amsterdam, faculteit Bouwkunde, Constructie. Hij werd daarbij begeleid door ing. P.G. Korse (bouw- adviesbureau Strackee BV), ing. L.A. Van der Vecht (Hogeschool van Amsterdam) en ing. A. Hoekstra (NV Bekaert SA). Een link naar het rapport staat op op www.cementonline.nl. ENCI Studieprijs 2014 Dit is het derde artikel in een serie met bijdragen van prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2014. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de eerste prijs in de categorie Hogescholen. De jury over deze studie: "[?] Het bijzondere aan de studie is dat de gebruikelijke wapening in het ondernet volledig is vervangen door staalvezelbeton, waarmee mede dankzij de inklemming een robuuste hybride oplossing is gerealiseerd. De student is recht op zijn doel afge ­ gaan en heeft het ontwerp daarbij op een uitstekende wijze onderbouwd met berekeningen. De jury is daarnaast zeer te spreken over de integrale aanpak van deze studie, waarin naast de constructieve betonaspecten van de vloer, ook aandacht is besteed aan de paalfundering. De grondmechanische eisen zijn op een juiste wijze in het ontwerp uitgewerkt. Al met al een uitstekende studie, waarvan de resultaten direct kunnen worden toegepast in de praktijk." Funderings herstel met vezelwapening 2015 4 schuifhout vloerplaat kesppaal steens metselwerk versnijdingen 2 Schets van een Amsterdamse paalfundering vanaf circa 1700 3 Amsterdamse paalfundering in slechte staat worden toegevoegd. Verhinderde krimp treedt onder andere op bij stortnaden tussen oud en nieuw beton. ? De eigenschappen van staalvezelbeton zijn niet van toepas- sing ter plaatse van stortnaden. ? Bij leidingdoorvoeren moet altijd traditionele wapening worden bijgelegd. Hier zitten geen vezels die nuttig werken. ? De minimale betonsterkteklasse is C30/37. Bij lagere sterkte- klassen wordt de vezel uit het beton getrokken voordat deze gaat werken. Deze regel geldt voor de 4D- en 5D-vezelfami- lies van Dramix. Uitvoeringsregels ? Vezelbeton kan met een betonpomp en met een kubel worden gestort. ? De oriëntatierichting van de vezels is loodrecht op de stor - trichting. ? De minimale consistentieklasse van staalvezelbeton bedraagt F4 (vloeibaar) of F5 (zeer vloeibaar). ? De meest ideale betonsamenstelling wat betreft grindafme- tingen is 40-50% D max 16 mm en 50-60% D max 32 mm. Als het beton wordt verpompt, is de maximale grindafmeting D max 16 mm. ? Segregatie van beton kan optreden bij een overmaat aan natrillen van het beton. Als er geen segregatie optreedt, wordt de vezeloriëntatie in het beton ook niet verstoord. Staalvezel- beton kan net als normaal beton worden nagetrild. ? Vanuit kwaliteitsoogpunt verdient het toevoegen van staal- vezels op de bouwplaats niet de voorkeur. Het inmengen van staalvezels in het beton geschiedt bij voorkeur met een auto- matisch doseringssysteem in de centrale menger van de betoncentrale. Het leveren van gecertificeerd staalvezelbeton dat mag worden toegepast in de hoofddraagconstructie wordt hiermee mogelijk. vloeistadium nog niet hebben bereikt. Dit verschijnsel treedt op als de vezels dermate goed zijn verankerd dat ze niet kunnen slippen. Het is de reden dat goed verankerde vezels een lage effectiviteit kennen. In tegenstelling tot beton, dat is gewapend met traditionele wapening waarbij de wapening juist wel goed moet zijn verankerd. Het idee van vezelbeton is dat de staal- vezels slippen in plaats van breken. Dat slippen treedt op nadat de toelaatbare betontrekspanning in het beton is overschreden. In de ongescheurde toestand van staalvezelbeton is dan ook geen werking van de staalvezels te verwachten. De eigenschap- pen van staalvezelbeton bij buiging worden met enkele discrete punten uit de resultaten van een buigproef bepaald. Staalvezelbeton kan werken als strain hardening en als strain softening. Dit is geheel afhankelijk van het vezeltype, vezeldose- ring en betonsterkteklasse. Strain hardening betekent dat staal- vezelbeton na het overschrijden van de betontreksterkte nog een kracht kan opnemen die groter is dan de betontreksterkte (f ctm). Strain softening houdt in dat staalvezelbeton na het overschrijden van de betontreksterkte een kracht kan opnemen die lager is dan de betontreksterkte (fig. 6). De meeste vezels werken als strain softening. Een relatief nieuw staalvezeltype werkt als strain harde- ning (Dramix 5D 65/60 BG). In dit onderzoek is uitgegaan van dit type, omdat het gebruik van traditionele wapening met deze vezel valt te reduceren. Ontwerpen met staalvezelbeton Aan de uitvoering van staalvezelbeton worden op enkele punten andere eisen gesteld dan aan normaal beton. Hierna staan de detaillerings- en uitvoeringsregels die gelden voor staalvezelbeton (fig. 7). Detailleringsregels ? De minimale ruimte tussen de wapeningsstaven bedraagt 100 mm of 1,5 l vezel . ? Bij verhinderde krimp moet altijd standaard wapening 2 3 Funderings herstel met vezelwapening 2015 5 4 Amsterdamse paalfundering met gebroken kesp; herstel is noodzakelijk 5 Funderingsherstel met tafelmethode vezelbeton leveren. Dit gecertificeerde staalvezelbeton is op dit moment alleen nog leverbaar in Rotterdam maar in de nabije toekomst ook bij een nieuwe betoncentrale in Amsterdam. Variantenstudie Voor de variantenstudie is een funderingsherstel aan de Leidsegracht in Amsterdam op drie verschillende manieren uitgewerkt: ? Variant 1: geheel gewapend met traditionele wapening ? Variant 2: hybride gewapend (combinatie van staalvezels met traditionele wapening) ? Variant 3: hybride gewapend, waarbij zo min mogelijk tradi- tionele wapening wordt toegepast De varianten zijn berekend en getekend. Hierna zijn de verschillen tussen de varianten geanalyseerd met een multi - criteria- en kostenanalyse. Bij de multicriteria-analyse zijn de totale kosten, de dikte van de constructie, de totale uitvoe- ringsduur, de duurzaamheid (levensduur) en het risico op uitvoeringsfouten via puntentoekenning met elkaar vergele- ken. Hieruit blijkt dat variant 2 de meest gunstige variant is (tabel 1). Regelgeving staalvezelbetonconstructies De regelgeving die in Nederland beschikbaar is met betrekking tot staalvezelbetonconstructies is nog zeer beperkt. Wel zijn er CUR-Aanbevelingen beschikbaar (CUR-Aanbeveling 36 en 111). Deze aanbevelingen zijn echter niet geschikt voor toepas- sing van staalvezelbeton in hoofddraagconstructies. Dit vanwege de gehanteerde materiaal- en veiligheidsfactoren in deze aanbevelingen. De rekenmethoden in CUR-Aanbeveling 111 zijn overigens wel geschikt [2]. Aangezien een funderings- herstel deel uitmaakt van de hoofddraagconstructie, is bij het afstudeerproject mede gebruikgemaakt van buitenlandse richt- lijnen en normen [3]. In Duitsland en Italië is de toepassing van staalvezelbeton in hoofddraagconstructies namelijk al breed toegestaan doordat in deze landen geaccepteerde regel- geving beschikbaar is. In 2012 is een CUR-publicatie [3] uitge- komen waarin een overzicht van alle beschikbare regelgeving en richtlijnen uit Nederland en Europa wordt gegeven. Moge- lijk komt nieuwe regelgeving voor staalvezelbeton uit bij een herziening van de Eurocode. In Model Code 2010 volume 1 is hier een voorzet voor gegeven [4]. Gedurende het onderzoek is ook de mogelijkheid onderzocht van het verlenen van een omgevingsvergunning voor een hybride gewapend funderingsherstel. De berekening die is gemaakt voor het hybride gewapend funderingsherstel, is hiertoe ingediend bij de gemeente Amsterdam (BWT, Stadsdeel Centrum, nu Omge- vingsdienst Noordzeekanaalgebied). Behoudens enkele opmerkin- gen heeft zij op de berekening akkoord gegeven. Dit betekent dat het project in hybride beton zou kunnen worden uitgevoerd. Het ontbreken van regelgeving voor de uitvoering van een funderings- herstel in hybride beton, vormt in Amsterdam centrum dus geen obstakel meer. Omdat het hybride beton deel uitmaakt van de hoofddraagcon- structie, moet de desbetreffende betoncentrale gecertificeerd staal- Tabel 1 Resultaten variantenstudie variant 1 variant 2variant 3 constructieve gegevens dikte constructieve vloer 350 mm350 mm650 mm raming wapening 110,4 kg/m 3 58,4 kg/m 3 8,4 kg/m 3 staalvezels in beton (Dramix 5D 65/60 BG) -35,0 kg/m 3 35,0 kg/m 3 aantal stalen buispalen (ø219) 18 stuks 18 stuks18 stuks kosten materiaalkosten ? 3 627? 3 920? 5 782 uitvoeringskosten (materiaal, materieel en manuren) ? 6 159? 6 008? 8 153 4 5 Funderings herstel met vezelwapening 2015 6 geen interactiestaalvezels oud beton nieuw beton bijlegwapening rondom sparingen stortrichting min. 100 of 1,5 l vezel kracht (F) vervorming CMOD strain hardening softening betontreksterkte (f ctm) 6 Strain hardening en strain softening 7 Uitvoeringsregels staalvezelbeton Staalvezelbeton is in ontwikkeling. Naarmate de Dramix 5D vezel meer wordt toegepast in constructies, zal de kostprijs van de vezel afnemen. Betoncentrales kunnen bij automatisering ook steeds lagere prijzen gaan rekenen voor het toevoegen van staalvezels aan het betonmengsel. De kiloprijs van staalvezels en wapening inclusief arbeidsloon komen dan dichter bij elkaar in de buurt. Nu is het verschil nog circa ? 1,- per kilo. Geadviseerd wordt om funderingsherstel uit te voeren in hybride gewapend beton, indien globaal duidelijk is dat wordt voldaan aan de volgende voorwaarden: ? de desbetreffende gemeente is bereid een vergunning te verlenen ? er is sprake van een kostenbesparing ? er is sprake van een noemenswaardig verschil in bouwtijd (minder vlechtwerk) ? de betrokken betoncentrale kan gecertificeerd staalvezel- beton leveren ? de geselecteerde aannemer heeft ervaring met staalvezel- beton. Zo niet, is de aannemer op de hoogte van de uitvoe- ringsregels? Bij twijfel kan een variant gewapend met traditionele wapening en een variant met hybridewapening op hoofdlijnen met elkaar worden vergeleken. Als richtlijn kan hierbij worden gehanteerd dat staalvezelwapening in de verhouding 35 kg/m 3 een kruisnet van Ø10-150 mm kan vervangen. De staalvezels die dan moeten worden toegepast zijn de Dramix 5D 65/60BG staal- vezels. ? ? LITERATUUR 1 Godthelp, T., De toepassing van vezelwapening bij traditioneel funde - ringsherstel. Afstudeerrapport, Hogeschool van Amsterdam, 2014. 2 CUR aanbeveling 111: Staalvezelbeton bedrijfsvloeren op palen ? Dimensionering en uitvoering. SBRCURnet, 2007. 3 CUR publicatie 246: Staalvezelbeton ? inventarisatie van regelgeving. SBRCURnet, 2012. 4 Model Code 2010, First complete draft, Volume 1. fib bulletin 55, 2010. 5 CUR aanbeveling 42: Bepaling van de invloed van polypropyleenvezels in beton op de vorming van plastische krimpscheuren. SBRCURnet, 2011. Tijdens het afstudeerproject is ook onderzoek verricht naar kunststofvezelwapening. Uit de literatuurstudie bleek dat kunststofvezelwapening voor de toepassing bij funderingsher - stel alleen geschikt was als plastische krimpwapening indien dat noodzakelijk was. Hierbij werd dan 0,9 kg/m 3 gefibrilleerde kunststofvezels in het beton toegepast [5]. Zo werden plasti- sche krimpscheuren in de plastische fase van het beton gemini- maliseerd. Hierop wordt in dit artikel niet ingegaan. Voor meer informatie over kunststofvezelwapening wordt verwezen naar het afstudeerrapport [1]. Conclusies en aanbevelingen Hybride gewapend beton is goed toepasbaar bij funderingsher - stel. Het is realistisch om een traditioneel funderingsherstel hybride te wapenen als zaken met betrekking tot vergunningen voor de constructie en certificaten op staalvezelbeton mogelijk en verleend zijn. Variant 2 (hybride gewapend beton) is de meest gunstige variant wat betreft de uitvoeringskosten en de multicriteria- analyse. De verwachting is dat bij deze variant de uitvoerings- kosten eerst hoger zullen zijn bij de eerste projecten die op deze manier worden uitgevoerd. Praktijkervaring en expertise bij ontwerpende en uitvoerende partijen kunnen namelijk ontbre - ken. De kortere uitvoeringsduur van variant 2 kan grote voor - delen opleveren als in het pand waar funderingsherstel wordt uitgevoerd commerciële activiteiten (zoals een winkel) zijn gehuisvest. Vanwege een hoge omzet en hoge huurprijzen kan een paar dagen kortere uitvoering een groot verschil betekenen in de totale uitgaven van een opdrachtgever. 6 7 Funderings herstel met vezelwapening 2015