Voortschrijdende instorting1 2012 | onlineonlineVoortschrijdendeinstorting1Tweede draagweg bij prefab-betonconstructies volgens de EurocodeENCI Studieprijs 2011Dit is het tweede artikel in een seriemet bijdragen van prijswinnaarsvan de ENCI Studieprijs 2011.De studie die in dit artikel wordtbeschreven, ontving een eervollevermelding in de categorie Univer-siteiten.Voortschrijdende instorting 22012 | online1 Prefab-betonconstructie2 Ronan Point te LondenSinds de instorting van een deel van het woongebouw RonanPoint te Londen in 1969 (foto 2) is voortschrijdende instortingeen belangrijk thema bij constructieve veiligheid. Voortschrijdende instorting treedt op wanneer door het bezwijkenvan ??n constructieelement een groot deel van de totaleconstructie in een kettingreactie bezwijkt. Ronan Point bestonduit geprefabriceerde betonnen wanden en vloeren. Door eenslechte detaillering enerzijds en, minstens zo belangrijk, eenslechte uitvoering anderzijds bleek de constructie niet in staathet bezwijken van ??n enkel wandpaneel te overbruggen. Ditwandpaneel bevond zich op de achttiende etage van het woongebouw en bezweek ten gevolge van een gasexplosie. Dit resulteerde in het instorten van ??n gehele hoek van het gebouw.De instorting van Ronan Point heeft geleid tot de ontwikkelingvan regelgeving waarin wordt ge?ist dat een constructie bijwillekeurige elementverwijdering niet onevenredig magbezwijken. Deze regelgeving is onder andere ook opgenomenin NEN 6700. In die norm ontbreekt het echter aan een duidelijke methode om te ontwerpen ter voorkoming van voortschrijdende instorting. Het beperkt zich tot het geven van eenaantal `tips': het ontwikkelen van een tweede draagweg, hetnemen van preventieve maatregelen dan wel het cre?ren vanvoldoende weerstand tegen bijzondere belastingen en hetbesteden van specifieke aandacht in de kwaliteitsborging vanhet ontwerp en uitvoeringsproces [1].De Eurocode gaat echter verder en levert de constructeur eenaantal strategie?n, met bijbehorende eisen, die kunnen wordengebruikt bij het ontwerpen van de constructie. Een en ander isbeschreven in bijlage A van Eurocode 1, deel 17 (NENEN1991:17) [2]. De daar beschreven strategie?n zijn bijna volledig overgenomen uit de Engelse British Standard 8110 [3] envinden hun oorsprong reeds in 1972 (in de CP110norm).Eurocode: indeling in gevolgklassen en trekbandenNa het uitvoeren van een uitgebreide literatuurstudie naarvoortschrijdende instorting is duidelijk geworden wat voortschrijdende instorting precies is, hoe het ontstaat, hoe men ertegen kan construeren en hoe deze ontwerpmethodiek isvertaald naar de verschillende normen. Eurocode 1 hanteerteen strategie waarin de constructie allereerst moet wordeningedeeld in een gevolgklasse. Afhankelijk van de betreffendegevolgklasse kan vervolgens een strategie worden gevolgdOp1april2012isNederlandovergestaptophetBouw-besluit2012,waarmeetevensdeEurocodeszijnbekrachtigd.DezeEurocodesverschillenopeengrootaantalpuntenmetdereedslangetijdtoegepasteTGB-normenserie.Ditgeldtookvoorhetaspectvoort-schrijdendeinstorting.Ineenafstudeerwerkzijndeverschillentussendeoudeendenieuwenormenbenoemd.Tevenszijndetoepasbaarheid,duidelijkheideneffectiviteitvandetrekbandmethodiekvolgensEurocode1onderzocht.Tenopzichtevanterplaatsegestorteconstructieszijnprefab-betonconstructies,bestaandeuitlosseelementendieonderlingwordengekoppeld,doorgaansgevoeligervoorvoort-schrijdendeinstorting.Daaromisinhetonderzoekvooralgekekennaarprefabconstructies.2ir. Menno van Dijk 1)Adviesbureau ir. J.G. Hageman B.V.1) Menno van Dijk is met het onderzoek `Voortschrijdende instorting bij prefab-betonconstructies' afgestudeerd aan de TU Eindhoven. In de begeleidingscommis-sie zaten prof.dr.ir. D.A. Hordijk, ing. S.J. de Boer en ir. M.C.M. Hermes.Voortschrijdende instorting3 2012 | onlineonlinehorizontaletrekband(omtrek)horizontale trekbanden(inwendig, tweerichtingen)verticaletrekband 343 Positie van trekbanden volgens Eurocode 1 [4]4 Trekbanden ter voorkoming van voortschrijdende instorting [5]Doorlopende trekbandenDe in vloeren aanwezige buigwapening kan prima wordengebruikt als horizontale trekband. Wel moet extra aandachtworden besteed aan de eis in Eurocode 1 dat de trekbandendoorlopend uitgevoerd moeten zijn. Dit houdt in dat koppelwapening moet worden toegepast waarin de krachten dieontstaan in de trekband van de vloer volledig kunnen wordendoorgegeven aan de naastgelegen elementen. Deze koppelwapening, bijvoorbeeld stekken in sleufsparingen vankanaalplaatvloeren, wordt vaak al toegepast omwille van deschijfwerking en de samenhang.Kolommen of wandenVoor de positie van de trekbanden maakt Eurocode 1 eenonderscheid tussen een constructie met kolommen en eenconstructie met wanden. De horizontale trekbanden moeten bijeen constructie met kolommen in twee richtingen lopen,geconcentreerd nabij het stramien van de kolommen. Voor eenconstructie met wanden moeten de trekbanden wordenverdeeld in beide richtingen en mag deze niet worden geconcentreerd. Waarom dit onderscheid is gemaakt, is niet duidelijk. Feit is wel dat dit grote gevolgen zal hebben voor de wijzewaarop momenteel in prefab beton wordt geconstrueerd. Bijtoepassing van een kanaalplaatvloer bij een constructie metdragende wanden is het toepassen van een constructieve druklaag, met daarin de trekbanden in dwarsrichting, dus feitelijkaltijd noodzakelijk (fig. 6).(tabel 1). Voor een uitgebreide beschrijving van de indeling ingevolgklassen en de te nemen maatregelen wordt verwezennaar [2].Voor het afstudeeronderzoek is vooral gekeken naar constructies die vallen in categorie 2b en waar dus kan worden gekozenvoor het toepassen van zowel horizontale als verticale trekbanden of voor het uitvoeren van een tweededraagweganalyse. Depositie van horizontale en verticale trekbanden wordt uitgelegdin figuur 3.De functie van de trekbanden, die de Eurocode voorschrijft, iswezenlijk anders dan die van de trekbanden die momenteelworden toegepast. Deze laatste dienen ter opname van horizontale belastingen (schijfwerking) en verzorgen de samenhang.De horizontale trekbanden die de Eurocode bedoelt, zijn trekbanden die door middel van kabelwerking een verticale belasting op kunnen nemen en zo een tweede draagweg kunnenrealiseren (fig. 4). Hoe groter de zakking van de trekband is,des te kleiner de kracht in de trekband moet zijn voor evenwicht (fig. 5). De krachten waarop de trekbanden moetenworden gedimensioneerd, zijn onder andere afhankelijk vanhet feit of de constructie is opgebouwd uit dragende wanden ofuit kolommen. In de Eurocode is niet aangegeven welkezakking is aangehouden bij het vaststellen van de krachten inde horizontale trekbanden. Volgens [7, 8] is hiervoor circa 10%van de overspanning van de trekband aangehouden (tweevelden, waartussen de kolom is weggevallen).Kwalitatieve vergelijkingOm de gevolgen van de invoering van Eurocode 1 in beeld tebrengen, is gekeken naar de wijze waarop momenteel in prefabbeton wordt geconstrueerd. Ook is gekeken welke aanpassingen nodig zijn voor het voorkomen van voorschrijdend instorten volgens Eurocode 1. Dit is gedaan door voor een aantalstandaard prefabbetondetails na te gaan of de aanwezige wapening kan worden gebruikt als trekbandwapening, zowel horizontaal als verticaal. Uit deze vergelijking is naar vorengekomen dat de huidige wijze van construeren in prefab betonveel mogelijkheden biedt om de hierin toegepaste wapening telaten fungeren als trekbanden. Daarbij moeten echter wel eenaantal belangrijke opmerkingen worden geplaatst.Tabel 1 Indeling in gevolgklassen en te nemen maatregelengevolgklasse voorbeeld van gebouw 1) maatregelen 1)1 woonhuizen van maximaal 4 bouwlagen geen2a kantoren en woongebouwen van maximaal4 bouwlagenhorizontale trekbanden2b hotels, flats, appartementen en anderewoongebouwen van meer dan 4 bouwlagen,maar van maximaal 15 bouwlagenhorizontale en verticaletrekbanden of uitvoeren vaneen tweede-draagweganalyse3 grote publieke gebouwen risicoanalyse1) voor een totaaloverzicht wordt verwezen naar bijlage A van NEN-EN 1991:1-7 [2]Voortschrijdende instorting 42012 | online / L (-)H/F(-)1098765432100 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0FHHL LHL0,5FAMA= 00,5 FL = HH = (FL) / (2)trekband haaks op vloeroverspanningmag geconcentreerd boven kolomstramienstek in sleufsparinginwendige vloerwapening als trekbandmag niet geconcentreerd boven opleggingstek in sleufsparinginwendige vloerwapening als trekbandtrekband evenwijdig aan vloeroverspanningtrekband evenwijdig aan vloeroverspanningtrekband haaks op vloeroverspanningtrekband evenwijdig aan vloeroverspanningtrekband evenwijdig aan vloeroverspanning565 Kracht in trekband sterk afhankelijk van zakking [6]6 Verschil in positie van trekbanden bij constructies metkolommen (boven) en constructies met wanden (onder) [6](twee constructies met kolommen en twee constructies metwanden) de horizontale en verticale trekbandwapeningbepaald. Hieruit is naar voren gekomen dat er, mede vanwegepraktisch toegepaste wapening, veelal geen of slechts zeerweinig extra wapening benodigd is voor het realiseren van detrekbandfunctie. Tevens is met de analyse de eenvoudigetoepasbaarheid van de regels aangetoond. Wel is naar vorengekomen dat er toch nog een aantal onduidelijkheden in deregelgeving aanwezig zijn. Hieronder vallen het reedsgenoemde onderscheid tussen constructies met kolommen enconstructies met wanden. Daarnaast is de achtergrond van debepaling van de verticale trekbanden in wanden niet duidelijk.In tegenstelling tot alle overige trekbanden, die gedimensioneerd zijn op de daarop werkende belastingen, geldt voor deverticale trekbanden in wanden dat deze worden gedimensioneerd aan de hand van een vergelijking met daarin de slankheid van de wand.Verticaal uitbrekenDe gangbare voorziening van trekbanden in de omtrek vanvloeren voor het realiseren van schijfwerking kan eveneensworden gebruikt als horizontale trekband ter voorkoming vanvoortschrijdende instorting. Hierbij is het echter wel van hetgrootste belang om te zorgen voor een adequate detaillering. Devoor schijfwerking gebruikte trekbanden worden belast in dehorizontale richting, terwijl de trekbanden ter voorkoming vanvoortschrijdende instorting verticaal worden belast. Het voorkomen van verticaal uitbreken van de trekband, om zo de kabelwerking te kunnen garanderen, is dan ook uiterst belangrijk. Eenen ander kan worden gerealiseerd door bijvoorbeeld de trekbandte omsluiten door beugels. Dit kan grote gevolgen hebben voor hetuitvoeringsproces bij prefab constructies, waar er dus mogelijkmeer natte verbindingen moeten worden toegepast.Verticale trekbandDe in verticale richting veelvuldig toegepaste stek en gaineverbindingen kunnen prima worden gebruikt als onderdeel vande verticale trekband, zonder daarbij aanpassingen te doen aande detaillering.Kwantitatieve vergelijkingVoor het bepalen van de benodigde wapeningshoeveelhedenvoor de trekbanden is voor een aantal gangbare constructiesVoortschrijdende instorting5 2012 | onlineonlinexyzAfstudeerrapportHet volledige afstudeerrapport is te raadplegenop cementonline77 Belastingafdracht na kolomverwijderingenop korte en lange zijde, belastingafdracht bijbezweken kolom op korte zijde niet mogelijk(rood), op lange zijde wel (paars) [6]voortschrijdende instorting te voldoen. Daarnaast moet vooralook de wijze van detailleren worden aangepast om de aanwezige wapening te kunnen laten functioneren als trekband bijhet wegvallen van een kolom of wand.De vraag is nog wel of de trekbanden in werkelijkheid ook echtkunnen functioneren. Daarvoor is onder andere voldoendevervormingsvermogen van de trekband vereist, zonder tebezwijken. Hieraan wordt in de Eurocode geen aandachtbesteed. Ook is het maar de vraag of, bij verwijdering van eenkolom op de hoek of vlakbij deze hoek, de trekbandwerking opkan treden. Het is aanbevolen om aan deze punten in vervolgonderzoek aandacht te besteden. Controle trekbandmethodiek uit EurocodeAls controle voor de trekbandmethodiek uit Eurocode 1 is eentweededraagweganalyse uitgevoerd. De analyse beschouwt hetgedrag van de hiervoor besproken constructies, waar de trekbanden zijn toegepast zoals in Eurocode 1 zijn voorgeschreven,bij verwijdering van een kolom of wand. Hieruit is naar vorengekomen dat het vooral bij smalle constructies en bij in enuitwendige hoeken zeer lastig is om een tweede draagwegvolgens de trekbandmethodiek te laten ontstaan. Een en anderis ge?llustreerd in figuur 7. Voor het vormen van een trekbandis het noodzakelijk dat horizontale krachten kunnen wordenafgeleid in de constructie. Wanneer een bezweken kolom zichop slechts ??n stramien van de hoek bevindt, is het nagenoegonmogelijk om de horizontale krachten af te leiden naar deoverige constructiedelen (veelal de stabiliserende elementen).Voor een hoekkolom geldt dat de trekband een haakse hoekmaakt en deze zich derhalve helemaal niet kan ontwikkelen.Indien uit een tweededraagweganalyse volgt dat het verwijderde element feitelijk niet kan worden verwijderd ? in ditgeval dus bij kolommen nabij of in hoeken ? kan wordengekozen voor een dimensionering van dit element alszogenaamd keyelement. Keyelements moeten in staat zijn omeen belasting van 34 kN/m2te weerstaan. Deze belasting isovergenomen uit onderzoek naar de instorting van RonanPoint en blijkt de aldaar opgetreden gasdruk te zijn geweest.Logischer zou zijn om de belasting die op het element werktte ontlenen aan de mogelijk optredende belastingen, en nietaan een voorgeschreven belasting. Het ontwerpen van eenkolom als keyelement voor een gasdrukbelasting van34 kN/m2is onlogisch wanneer deze kolom bijvoorbeeldbuiten staat naast een drukke weg.ConclusiesHet afstudeerwerk heeft laten zien dat met de huidige wijze vanconstrueren in prefab beton al in belangrijke mate sprake is vansamenhang, die de robuustheid van de constructie verzorgt.Echter, op een aantal onderdelen is voor bepaalde constructiesmeer wapening nodig om aan de regels in Eurocode 1 voor Literatuur1 NEN 6700. Technische grondslagen voor bouwconstructies TGB 1990? Algemene basiseisen. Juni 2005.2 NEN-EN 1991-1-7. Eurocode 1: Belastingen op constructies ? Deel1-7: Algemene belastingen ? Buitengewone belastingen:stootbelastingen en ontploffingen. September 2006.3 BS 8110 ? Structural use of Concrete Part 2: Code of practice forspecial circumstances. 1985.4 Design of buildings to resist progressive collapse ? Unified FacilitiesCriteria (UFC). 2009.5 Structural Integrity of Precast Concrete Structures under AccidentalActions ? Commission on Prefabrication Task Group TG 6.9. DraftFebruary 2010.6 Dijk, M. van, Voortschrijdende instorting bij prefab-betonconstructies. Afstudeerrapport, TU Eindhoven, rapportnummerA-2011.03 / O-2011.02, april 2011.7 Burnett, E.F.P., The avoidance of progressive collapse: regulatoryapproaches to the problem ? Final report. Oktober 1975.8 Breen, J.E., Developing structural integrity in bearing wall buildings.PCI Journal. January/February 1980.