C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gPrefabricagecement 2004 648Aanleiding tot het uitvoeren vandit onderzoek was de bouw vanhet project Prinsenhof in DenHaag (foto 1). In dit grote bouw-project is een aantal torens opge-nomen waarbij de stabiliteit wordtgeleverd door gevelconstructiesopgebouwd uit in metselwerkver-band gestapelde geprefabriceerdeelementen met open verticale voe-gen (foto 2). Voor een uitgebreidebeschrijving van dit project wordtverwezen naar [1].Het fenomeen `in metselwerkver-band gestapelde geprefabriceerdebetonnen stabiliteitsconstructies'in hoogbouw is niet nieuw. Dezeconstructies zijn al vaker toege-past, echter met gevulde construc-tieve verticale voegen. Met eengebouwhoogte van circa 100 m is`Prinsenhof' de eerste hoogbouw-constructie waarbij elementen inmetselwerkverband gestapeld metopen verticale voegen zijn doorge-voerd.Nadelen voor de toepassing vanprefab constructies in metselwerk-verband kunnen zijn: de noodzaakmeer verschillende typen elemen-ten toe te passen en een vastemontagevolgorde. Uit onderzoekblijkt dat bij een goede logistiekeorganisatie en door het grote repe-titie-effect bij hoogbouw beide ver-melde nadelen grotendeels ver-dwijnen [2].Resteert de vraag of genoemdprincipe vanuit constructief oog-punt aantrekkelijk is. De beant-woording van deze vraag was dereden om het vervormingsgedragen de krachtsverdeling in dergelij-ke constructies nader te onderzoe-ken. Dit onderzoek is uitgevoerddoor Stufib studiecel 6 [3] met alsbelangrijke input een afstudeeron-derzoek aan de TU Delft, faculteitCiTG [4].O p z e t v a n h e t o n d e r z o e kVoor een viertal constructietypenis onderzocht welke invloed openverticale voegen in metselwerkver-band hebben op de respons vande geprefabriceerde betonnen sta-biliteitsconstructies op horizontale(wind)belasting. Hiervoor zijn alsschijven gemodelleerde construc-ties gebruikt met een slankheidInvloed van voegen op prefabstabiliteitsconstructies inhoogbouwir. M.M.J. Falger en ir. C.A.J. Sterken, BAM Advies & EngineeringIn hoogbouwconstructies worden als stabiliteitselementen veelvuldig geprefa-briceerde dragende wanden en gevels toegepast. Een recente ontwikkelinghierbij is het aanbrengen van de elementen in een metselwerkverband, in com-binatie met open verticale voegen tussen de wand- of gevelelementen. Hetgrote voordeel van het toepassen van open verticale voegen is dat in de voeggeen constructieve verbinding behoeft te worden aangebracht; de voeg wordtalleen bouwkundig gedicht. In dit artikel zal nader worden ingegaan op heteffect van open verticale voegen in metselwerkverband op het gedrag van deconstructie. Daarnaast zal aan de hand van uitgevoerd onderzoek wordenaangetoond dat het toepassen van elementen in metselwerkverband met openverticale voegen een goed alternatief is voor de meer traditionele voegtypen.1 |Toren in project`Prinsenhof' te Den HaagIn traditionele geprefabriceerde betonnen wan-den en gevels komen doorgaans zowel doorlo-pende verticale als horizontale voegen voor.Indien deze wanden of gevels als stabiliteitscon-structie in een gebouw zijn opgenomen, krijgendeze voegen een constructieve functie. Hierbijmoeten naast normaalkrachten ook schuif-krachten tussen de elementen worden overgedra-gen. Doorgaans worden hiervoor in de voegenvoorzieningen opgenomen die in staat zijnzowel normaal- als schuifkrachten tussen de ele-menten over te dragen. In deze gevallen zijn detraditionele voegen constructief werkzaam. Metopen verticale voegen wordt een voegtype bedoeldwaarbij geen constructieve voorzieningen in deverticale voegen tussen geprefabriceerde elemen-ten zijn aangebracht. Via de open verticale voe-gen worden dus geen krachten tussen de elemen-ten overgedragen. Om in het geval van construc-ties met open verticale voegen verticale schuif-krachten tussen de elementen over te kunnendragen, worden de elementen in een metselwerk-verband gestapeld. Dat wil zeggen dat bij dezeelementstapeling geen doorgaande verticale voe-gen ontstaan.O p e n v e r t i c a l e v o e g e n1 |Traditioneel elementpatroon (links) en elementenin metselwerkverbandC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gPrefabricagecement 2004 6 49van 6:1, waarmee deze construc-ties tot de hoogbouwconstructiesworden gerekend. De beschouwdeconstructietypen vari?ren van eenvolledig gesloten stabiliteitswandtot een dragende gevel met gevel-openingen (fig. 3). Hiermee is eenviertal veelgebruikte constructiety-pen in het onderzoek betrokkenen is een brede range aan stijfhe-den beschouwd.Om het gedrag van constructiesmet open verticale voegen in met-selwerkverband te kunnen verge-lijken met meer traditionele voeg-typen zijn ook deze voegtypen inhet onderzoek betrokken. Bij tra-ditionele voegtypen worden de ele-menten in een tegelverband gesta-peld, met doorlopende verticalevoegen. Eveneens is als referentievan alle constructietypen eenmonoliete variant beschouwd.Om de respons van de construc-ties te kunnen bepalen zijn alleconstructies (in totaal 24) in deBruikbaarheidsGrensToestand(BGT) berekend. Hiervoor is geko-zen omdat bij hoogbouw de ver-vormingen van de constructiedoorgaans maatgevend zijn in hetontwerp. Uit eerder uitgevoerdestudies blijkt dat voor voldoendenauwkeurigheid en inzicht eenberekening met een EEM-pro-gramma nodig is. Hierin kan hetgedrag van de voegen en de schijf-werking van de elementen goedworden gemodelleerd. Gekozen isvoor het programma ATENA 2D.Naast de horizontale vervormin-gen zijn in alle constructies ookmaatgevende spanningen en waarmogelijk maatgevende snede-krachten bepaald.V o e g e nFiguur 4 toont de onderzochte tra-ditionele voegtypen, die alle in dedagelijkse praktijk wordengebruikt. Type A, de gladde gewa-pende voeg, is een voegconstructiedie met wapening en betonmorteltot stand wordt gebracht. Na plaat-sen van een element wordt de ver-ticale wapeningsstaaf aangebracht,de voeg bekist en volgestort. Naverharding kan de voeg zowel nor-maal- als schuifkrachten tussen deelementen overdragen. Type B, degetande gewapende voeg, is verge-lijkbaar met type A, echter doorhet aanbrengen van een vertan-ding in de voeg zijn de sterkte enstijfheid groter. Beide typen wor-den over de volledige hoogte vande voeg toegepast.In het geval van voegtype C, eenlasplaatverbinding met een enkeleingestorte staalplaat, worden nor-maal- en dwarskrachten via eengelaste verbindingsplaat tussen deelementen overgedragen. De ver-bindingsplaat wordt na plaatsing2 |Geprefabriceerde ele-menten met open verti-cale voegen in metsel-werkverband144 144 144 14486400A B C D3 |Overzicht van de onderzochte constructietypena. volledig gesloten stabiliteitswandenb. gekoppelde gesloten stabiliteitswandenc. dragende gevel met gevelopeningen en stijve eindpenantend. dragende gevel met gevelopeningen4 |Overzicht van de onderzochte traditionele voegtypena. gladde gewapende voegb. getande gewapende voegc. lasplaatverbinding met enkele ingestorte staalplaatd. lasplaatverbinding met ingestort UNP-profiela b c dC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gPrefabricagecement 2004 650van de elementen vastgelast aaneen in de elementen ingestortestaalplaat. Deze draagt vervolgensvia aangelaste wapening de krach-ten over op het beton.Voegtype D is vergelijkbaar mettype C; nu wordt echter niet ??nstaalplaat in het hart van het ele-ment maar een deel van eenUNP-profiel ingestort. Bij dit typeverbinding wordt aan beide zijdenvan de wand of gevel een verbin-dingsplaat gelast. Dit levert eenstijvere en sterkere verbinding op.Per voeg (verdiepingshoog)komen bovengenoemde verbin-dingen minimaal tweemaal voor.Het gedrag van de voegen in eenconstructie laat zich beschrijvenaan de hand van twee parameters,een normaalstijfheid (Knn) en eenafschuifstijfheid (Ktt). Voor de ver-ticale voegen is vooral de Kttbepa-lend. Voor Kttvan de verticale voe-gen geldt volgens [5]:uKtt= _______ [N/mm3]uwaarinuis de schuifspanning in de voegbij bezwijken;uis de verplaatsing in de voeg bijbezwijken.Voor de twee mortelverbindingen(type A en B) is in het verleden dewaarde voor Kttproefondervinde-lijk bepaald [5]. Hierbij spelen degeometrie van de voeg en de hoe-veelheid wapening en diametereen rol. Voor de discrete lasplaat-verbindingen (type C en D) zijn deopnamecapaciteit per verbindingen het aantal verbindingen perbeschouwde voeglengte bepalendvoor Ktt. Over het algemeen wordtin de literatuur voor de discreteverbindingen een waarde voor uvan 1 mm gehanteerd. De opna-mecapaciteit per verbinding wordtper verbindingstype op een speci-fieke wijze bepaald. Hierin wordengeometrische parameters vanzowel de in te storten delen, deaangelaste wapening, de opgelasteverbindingsplaat als de directebetonomgeving van de verbindingbetrokken. Met name voor deenkele ingestorte plaat (voegtypeC) is de opnamecapaciteit nietaltijd eenduidig te bepalen doorgebrek aan inzicht in de onderlig-gende mechanismen [6]. Tabel 1geeft een indicatie van de afschuif-stijfheden van de in het onderzoekuitbuiging (mm)monolietgladtandplaatUNPopenhandhoogte(m)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11086,482,879,275,672,068,464,861,257,654,050,446,843,239,636,032,428,825,221,618,014,410,87,23,60,086,482,879,275,672,068,464,861,257,654,050,446,843,239,636,032,428,825,221,618,014,410,87,23,60,0hoogte(m)uitbuiging (mm)breedte van de constructie (m)moment(kNm)4003503002502001501005000,00 1,80 3,60 5,40 7,20 9,00 10,80 12,60 14,40135%41%145%69%5 |Horizontale verplaatsingvan constructietypeA en D6 |Moment in onderstepenanten van construc-tietype DC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gVer bindingencement 2004 6 51betrokken voegtypen. Het specifie-ke voegontwerp bepaalt uiteinde-lijk de juiste waarde voor Ktt.Horizontale voegen in geprefabri-ceerde betonnen constructies wor-den over het algemeen uitgevoerdals een stekken-in-gains-verbin-ding. Stekken uit een onderlig-gend element worden in gains vanhet erboven geplaatste elementopgenomen en de ruimte in gainsen voeg wordt met een hoogvloei-bare mortel ge?njecteerd of aange-goten. Hoewel de wijze waarop deafschuifstijfheid Kttvoor horizon-tale voegen kan worden bepaaldgelijk is, wordt de opnamecapaci-teit uvoor de horizontale voegenop een andere wijze bepaald. Dithoudt verband met het verschilmet verticale voegen ten aanzienvan de voegopbouw en de aanwe-zigheid van een normaaldruk-spanning in de horizontale voeg.Uit recent onderzoek blijkt dat bijhet bepalen van uvoor horizonta-le voegen een viertal mechanis-men een rol speelt [7]:1. aanhechting tussen voegmateri-aal en betonelementen;2. wrijving tussen voegmateriaalen betonelementen;3. deuvelwerking van de wape-ning;4. uitrekken van de wapening.Al deze invloeden worden bij hetbepalen van ubetrokken. In hetgeval van geprefabriceerde ele-menten zal mechanisme 1 geenrol van betekenis spelen gezien degladde afwerking van het betonop-pervlak. De aanwezige normaal-drukspanning blijkt een grotepositieve invloed te hebben op u.Omdat in dit artikel vooral de ver-ticale voegen centraal staan, wordtvoor een beschrijving van de wijzewaarop u(en dus ook Ktt) voorhorizontale voegen bepaald kanworden verwezen naar [4] en [7].R e s u l t a t e nFiguur 5 geeft een overzicht vande horizontale verplaatsingen vanconstructietypen A en D alsgevolg van een uniforme horizon-tale windbelasting. Per type is dehorizontale verplaatsing van demonoliete variant op 100%gesteld. Figuur 6 geeft de groottevan het moment in de penantenvan de onderste verdieping vanconstructietype D voor verschillen-de voegtypen weer. De gemarkeer-de waarden geven het momentweer in een penant met voeg.Vanwege het metselwerkverbandzijn voor het voegtype `open' dezevoegen in andere penanten aange-bracht dan voor de traditionelevoegtypen. De weergegeven per-centages gelden ten opzichte vanhet moment in de betreffendepenant voor een monoliete con-structie. Uit de resultaten blijktduidelijk dat bij geprefabriceerdeconstructies in de penanten zon-der voeg tot 45% grotere momen-ten kunnen optreden dan op basisvan een monoliete berekeningwordt bepaald. Hetzelfde geldtvoor de optredende dwarskrachtenen spanningen, ook in de overigeconstructietypen.Figuur 7 geeft de relatie weer tus-sen de afschuifstijfheid van devoeg en de toename van horizon-tale verplaatsingen per construc-tietype. Deze grafiek laat duidelijkzien dat het verband tussen deafschuifstijfheid van de verticalevoegen en de toename van hori-zontale vervormingen van de con-structie niet lineair is. De `slinger'in de grafiek voor constructie B istoe te schrijven aan een herverde-ling van krachten als gevolg vanhet bezwijken van enkele verticalevoegen boven de openingen in deconstructie met voegtype A (Ktt=1,3 N/mm3). Dit heeft een herver-deling van krachten tot gevolg endaardoor een toename van dehorizontale vervormingen van deconstructie. Het gedrag van con-structietype B is daarom afwij-kend ten opzichte van de overigetypen.Blijft deze afwijking buitenbeschouwing dan blijkt dat deinvloed van de voegstijfheid opalle onderzochte constructietypengelijksoortig is. Verandering vanvoegstijfheid heeft voor voegty-pen met een lage afschuifstijf-heid (< 1,2 N/mm3) een grooteffect op de toename van de ver-vormingen. Voor voegen met eenrelatief grote voegstijfheid (> 1,2N/mm3) heeft verandering van deafschuifstijfheid slechts eengering effect op de toename vande horizontale vervormingen.Verondersteld moet worden datde `grenswaarde' van 1,2 N/mm3mede bepaald wordt door geome-trische parameters van de con-structie en dus niet voor elkeconstructie geldig is.Tabel 1 | Indicatieve waarden voor afschuifheden van diversevoegtypenvoegtype indicatie afschuifstijfheid Ktt[N/mm3]open voeg 0voegtype A 1,3voegtype B 3,6voegtype C 0,6voegtype D 0,9monoliete verbinding 400,0%5,0%10,0%15,0%20,0%25,0%0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00ABCDglad tandUNPplaatafschuifstijfheid K (N/mm )tt3toenamehorizontaleverplaatsing(%)7 |Relatie tussen afschuif-stijfheid verticale voe-gen en extra horizontaleverplaatsingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gPrefabricagecement 2004 652C o n c l u s i e sUit het onderzoek blijkt dat pre-fabriceren van de constructie enhet aanbrengen van voegen tus-sen de geprefabriceerde elemen-ten altijd effect heeft op de ver-vormingen van en de krachtswer-king in de constructie. Deafschuifstijfheid van de traditio-nele verticale voegen blijkt inbelangrijke mate bepalend te zijnvoor de mate waarin de vervor-mingen van de constructie toene-men wanneer deze wordt gepre-fabriceerd. Hoe lager dezeafschuifstijfheid, des te groterzullen de verschillen in overallstijfheid zijn tussen de geprefa-briceerde constructie met voegenen de monoliet uitgevoerde con-structie. In het geval van voegty-pe C, waarbij gebruik wordtgemaakt van ingestorte staalpla-ten, kunnen de vervormingenmet meer dan 20% toenemen.Het toepassen van open verticalevoegen in metselwerkverbandlaat eveneens een afname van deoverall stijfheid zien. Deze afna-me blijft echter voor alle onder-zochte constructietypen beperkttot maximaal 8% en blijkt nauwe-lijks afhankelijk van het construc-tietype. Ook de invloed op dekrachtwerking van het toepassenvan verticale voegen in stabili-teitsconstructies blijkt afhankelijkvan de afschuifstijfheid van deverticale voegen. Is de afschuif-stijfheid laag (< 1,2 N/mm3 vooronderzochte geometrie en voegty-pen) dan kan dit in vergelijkingtot een monoliet uitgevoerde con-structie een toename van span-ningen, momenten en dwars-krachten tot 45% tot gevolg heb-ben. Bij het toepassen van openverticale voegen zijn dezelfdespanningstoenamen geconsta-teerd. Gebleken is dat ten aan-zien van het bepalen van de ver-vormingen van constructies metopen voegen in een vroeg ont-werpstadium een rekenmethodevoor monoliete constructies kanvolstaan. Voor de berekening vande optredende spanningen ensnedekrachten moet echter eenaanvullende methode wordenontwikkeld.T e n s l o t t eVanuit constructief en uitvoe-ringstechnisch oogpunt kan hettoepassen van elementen in met-selwerkverband met open vertica-le voegen een goed alternatiefzijn voor traditionele voegtypenin doorgaande verticale voegen.Met het toepassen van open verti-cale voegen kan een grote overallstijfheid van de constructie wor-den bereikt die vergelijkbaar ismet de stijfheid van een con-structie waarin gewapende,getande voegverbindingen wor-den toegepast en die de stijfheidvan een monoliet uitgevoerdeconstructie benadert. Het grotevoordeel is het achterwege blijvenvan de tijdrovende en dure verti-cale constructieve voegverbindin-gen. Dit is een belangrijk gege-ven voor het toepassen van openverticale voegen in hoogbouwcon-structies. Met dit onderzoek ver-trouwen we erop dat een positie-ve bijdrage wordt geleverd aan deverdere toepassing van geprefa-briceerde betonnen stabiliteits-constructies in hoogbouw in hetalgemeen en aan de toepassingvan elementen in metselwerkver-band met open verticale voegenin het bijzonder. L i t e r a t u u r1. Lindhoud, A.C., Een verzame-ling dozen. Cement 2003 nr. 7.2. Boer, K. de,Uitvoeringsaspecten van inverband gestapelde geprefabri-ceerde wanden. Concept afstu-deerrapport, TU Delft,Faculteit CiTG, juli 2004.3. Sterken, C.A.J., J.N.J.A.Vambersky, M.M.J. Falger e.a.,Open verticale voegen ingeprefabriceerde betonnen sta-biliteitsconstructies.Eindrapport Stufib studiecel 6,juni 2004.4. Falger M.M.J., Open verticalevoegen in geprefabriceerdebetonnen stabiliteitsconstruc-ties. Afstudeerrapport, TUDelft, Faculteit CiTG, oktober20035. Straman, J.P.Geprefabriceerde stabiliteits-constructies, de invloed vanverticale voegen.Onderzoeksrapport, TU Delft,Faculteit CiTG, mei 1988.6. Hogeslag, e.a., CUR-rapport150, Gelaste verbindingen.Gouda, januari 1992.7. FIB, Commission C6:Prefabrication. TG 6.2:Connections. Structural con-nections for precast concretebuildings. Voorlopig rapport,draft 20 juni 2003.