52 Hybride beton in vrijdragende vloeren 1 Combinatie staalvezels en traditionele wapening in keldervloeren Groninger Forum Hybride beton in vrijdragende vloeren 42014 53 Artikelenserie Groninger Forum Dit artikel is het laatste deel in een serie van drie over het Groninger Forum. Dit derde deel gaat in op de water- dichte vezelversterkte hybride gewapende kelder- en parkeer - vloeren. In het eerste deel is ingegaan op de onderwaterbeton- vloer en in het tweede deel op de geavanceerde EEM-bereke - ning van de funderingspoeren. Deze artikelen zijn te raadplegen op www.cementonline.nl. 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 uitge- voerd. 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. Daar - naast 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 parkeervloe- ren. 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 scheurwijdtebeper - king en oppervlaktetaaiheid. En door slim te construeren, kan de constructie daarbij met minder materiaal worden ontwor - pen. Twee onderdelen van de constructie worden in het navolgende specifiek toegelicht: de keldervloer en de erboven gelegen parkeerdekken. Opbouw kelder 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 onderwater - beton met vezels', Cement 2014/2). Boven de onderwaterbeton- vloer wordt een constructieve waterafdichtende betonvloer geplaatst (500 mm dik, fig. 3). De funderingsconstructie is in 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 gebie- den rond deze poeren zijn van een zandbed met werkvloer/ uitvullaag voorzien. Waterdichte keldervloer Ontwerptechnisch is de toelaatbare theoretisch karakteristieke bovengrens van de scheurwijdte beperkt tot 0,05 mm (geba- seerd op fig. 10.1 uit [1]). Door spreiding in het materiaalge- drag 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- Op steenworp afstand van de Martinitoren wordt gebouwd aan het Groninger Forum, een indrukwek- kend gebouw dat ruimte moet bieden aan diverse culturele activiteiten. Ondergronds komt een vijf- laagse parkeergarage met een aantal interessante innovaties in de betonconstructie. Zo worden de keldervloeren, inclusief de vrijdragende parkeervloe - ren, gewapend met een combinatie van staalvezels en traditionele wapening. ing. Michael Menting ir. Miriam Molenwijk ABt vide 2 1 Artist's impression Groninger Forumbron: NL Architects2 Doorsnede van het gebouw met vide Hybride beton in vrijdragende vloeren 4 2014 54 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 verlo- pen en heeft het verse beton de kans te relaxeren. Geprobeerd is ook het totale bindmiddelgehalte zo laag moge- lijk 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. 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 gemakke- lijker aan de scheurwijdte-eisen kan worden voldaan. Ook hebben de vezels een positieve invloed op de benodigde krimp- wapening. 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. 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 dicht- groeien veroorzaakt door het reageren van het nog ongebonden cement en kalk in het beton tot cement/kalksteen. 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 waterko- lom. De vloer wordt verder hoofdzakelijk belast door verhin- derde 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 vervor- ming wordt echter verhinderd door wrijving met de onder - grond en de aansluiting met diepwanden, palen en poeren. Vooral tussen de stijvere gedeelten zullen de spanningen door deze verhinderde vervorming aanzienlijk zijn. Door de combi- natie van een strenge toelaatbare scheurwijdte en de verhin- derde 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. -5-vloer, gestort op een werkvloer overige parkeervloeren poer of werkvloer 0,00030 0,00025 0,00020 0,00015 0,00010 0,00005 00 20406080100 120 -0,00005 rek beton rek staal 3 4 3 Doorsnede van de constructie 4 Principe bond slip Hybride beton in vrijdragende vloeren 42014 55 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 plas- tisch is. Bij deze ouderdom is de betontreksterkte laag en zal bij het scheuren minder scheurenergie vrijkomen. Aan de onder- zijde 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 Controle scheurwijdte keldervloer Om te beoordelen of de scheurwijdte voldoet, is de krachtswer - king in de vloer nauwkeurig berekend. Uitgangspunt hierbij was een volledige verhindering van de betonplaat. In de bere- kening 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 wape- ningsstaal. 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 scheurvor - ming 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 aanhecht- condities). Door de toepassing van de staalvezels als aanvulling op de traditionele wapening, kan de staalspanning in de wape- Tabel 1 Vergelijking hybride wapening en traditionele wapening hybride wapening traditionele wapening gewicht traditionele wapening 33 kg/m 2 161 kg/m 2 gewicht staalvezels17,5 kg/m 2 0 totaal staal 51 kg/m 2 161 kg/m 2 102 kg/m 3 322 kg/m 3 = 0,05% = 0,4% gewicht kolom ondergrond vloer zonder verhitting bovenzijde vloer gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom gewicht kolom 5 5 Opgelegde rek in de gebruikers fase met daarnaast de vloer - constructie wanneer deze niet zou worden verhinderd Hybride beton in vrijdragende vloeren 4 2014 56 4 2014 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. Om bovenstaande redenen is ervoor gekozen ook in de vrijdra- gende vloeren vezels in het beton toe te passen. Nooit eerder gebeurde dit in Nederland op deze grote schaal. verschillende omstandigheden kan worden aangenomen dat staalvezels circa 10% duurder zijn dan traditionele wapening (uitgaande van geplaatste wapening, dus integrale kostprijs). 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 ponswape - ning 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 omstandighe- den die passen bij de keuze van toepassing van hybride wape- ning. 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 traditio- nele 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 parkeer - vloeren. Deze vide veroorzaakt extra spanningen door de bovenwapening goed verdichte ondergrond uitvullaag uitvullaag 1000 500 c = 35 c = 40 goed verdichte ondergrond staalvezels 35 kg/m 3 onderwapeningnet ø 16 - 150 net ø 12 - 100 net ø 32 - 150 net ø 25 - 150 net ø 12 - 100 net ø 12 - 150 1000 500 c = 35 c = 40 bovenwapening bovenwapening onderwapening onderwapening bovenwapening goed verdichte ondergrond uitvullaag uitvullaag 1000 500 c = 35 c = 40 goed verdichte ondergrond staalvezels 35 kg/m 3 onderwapeningnet ø 16 - 150 net ø 12 - 100 net ø 32 - 150 net ø 25 - 150 net ø 12 - 100 net ø 12 - 150 1000 500 c = 35 c = 40 bovenwapening bovenwapening onderwapening onderwapening 6 7 6 Vergelijking hybride en traditioneel 7 Langsdoorsnede met alle parkeerlagen en een aanzet van de bovenbouw Hybride beton in vrijdragende vloeren 57 model conservatieve waarden voor de materiaalparameters inge- voerd die nodig worden geacht in verband met nu nog ontbre- kende 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 krachtswer- king 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 capaciteitsbe- rekeningen van de diverse soorten wapening, zijn de vloeren gewapend. Aan de hand van deze pragmatische methode is het grote parkeervloeroppervlak ? met een aantal repeterende vloer - delen ? 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 traditio- nele 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 tradi- tionele wapening beperkt door de toepassing van vezelversterkt beton. Door te rekenen met conservatieve, karakteristieke mate- riaalsterkten 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. 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 bere- kening 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 Aanbe- veling 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 logaritmi- sche schaal. De standaarddeviatie is berekend op basis van mate- riaalbeproevingen 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 inge- gaan. 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- -4.07 -4.08 hellend hellend vlak vlak -4.07 -4.08 vide 1 0,1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 0,0000001 standaarddeviatie kans veiligheid volgens CUR veiligheid in deze berekening aangehouden 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 reeks 1 8 10 9 8 Plattegrond ondersteuningen inclusief aangegeven vlakke en schuine vloerdelen 9 Plattegrond met vide en waterdruk 10 Aangehouden materiaalveiligheid Hybride beton in vrijdragende vloeren 4 2014