I IONDERZOEK IVOORSPANNINGVOORGESPANNENSTAALPLAAT-BETONVLOERENVAN IDEE TOT WERKELIJKHEIDir.P.L.Schravendeel, Hollandse Staalbouw Mij BY; Goudair.G.R.Klop, Van Dam BY; Ridderkerkprof.ir.W.R. de Sitter, Technische Universiteit EindhovenStaalplaat-betonvloeren worden voornamelijk toegepast voor kleine overspanningenover twee ofmeer steunpunten, waarvoor dit vloertype bijzonder economisch is.Aangezien de voordelen aanmerkelijk verminderen bij grotere overspanningen, ishiervoor aan de TU Eindhoven een combinatie met voorspanning onderzocht. Hetonderzoek richtte zich in hoofdzaak op de vraag in welke mate er binnen hetinleidingsgebied van de voorspankrachten sprake is van een blijvende en volledigesamenwerking tussen staalplaat en beton, waarbij het theoretisch model is getoetstaan een beproeving op ware grootte.Naast constructieve aspecten wordt ook aandacht besteed aan enkele economischeaspecten van dit nieuwe vloersysteem door ve.rgelijking met bestaande systemen.TabellRelatieve kostenvergelijking constructiestaalpening vereist. Door de geringe massakunnen de vloerplaten met de handworden aangebracht.Naarmate de overspanningen toene-men tot circa 6 mwordt tijdens hetstor~ten een onderstempeling noodzakelijk.De stempels kunnen dan de afbouw-werkzaamheden op de ondergelegenvloeren en daarmee de bouwsnelheidvertragen.Vanuit constructief oogpunt gezienleidt het toepassen van staalplaat-be-tonvloeren bij grotere overspanningentot een minder economisch vloersys-teem. De staaldoorsnede en de profiel-hoogte van de momenteel op de marktverkrijgbare vloerplaten is voor de gro-tere overspanningen te gering. Daaromis voor het merendeel van de toepassin-gen extra bijlegwapening een vereiste.Als gevolg hiervan zullen de bouwkos-ten per m2vloeroppervlak aanzienlijktoenemen.Bovendien wordt bij grotere overspan- De gegeven prijzen per kg zijn de zuive-7 ? 1011 ? 1718 ? 2136 ? 45guldens per mper MN breukkracht1,60 ? 2,250,70 ? 1,100,95 ? 1,201,80ningen de diktevande constructieve be-tonlaag te groot ten opzichte van dehoogte van de staalplaat, waardoor degewichtsbesparing aanzienlijk afneemt.Als de overspanningenverdertoenementot circa 12 m dan verdwijnen de staal-plaat-betonvloeren geheel uit het paletvan de vloersystemen en kan beter aangeprefabriceerde holle-kanaalplaat-vloeren worden gedacht.Om bij grote overspanningen de voor-delen van de traditionele staalplaat-be-tonvloer te kunnen behouden, is theo-retisch en praktisch onderzoek verrichtnaar een combinatie met voorspanning.Een vergelijking van de kosten per MNbreukkrachtpermetertussenvoorspan-staal en enkele andere typen construc-tiestaal toont de geringe kosten vanvoorspanstaal (tabel 1). Dit maakt hettoepassen van voorspanning econo-misch aantrekkelijk.guldens/kgFeP 1860FeB 500FeE 360/510FeE 280G1220GkwaliteitvoorspanstaalwapeningstaalconstructiestaalstaalplaatDe geprofileerde staalplaat fungeert alspermanente bekisting en verschaft ineen vroeg stadium van de bouw eenwerkvloer die de bouwlasten kan dra-gen. De kleine overspanningen makeneen onderstempeling tijdens de stort-enverhardingsfase overbodig, terwijl doorhet grote oppervlak van de staalplaat-doorsnede bijlegwapening tot een mi-nimum kan worden beperkt. Alleenvoor de brandwerendheid is bijlegwa-In de angelsaksische landen vormenstaalplaat-betonvloeren een veelge-bruikt vloersysteem voor middelhogeen hoge gebouwen.Een relatieflaag eigen gewicht, een ge-ringe vloerdikte en een aantrekkelijkebouwsnelheid vormen de basis voor de~ze populariteit.Het optimale toepassingsgebied van ditvloertype ligt bij overspanningen tot 3 ?4 m over twee, drie of meer steunpun-ten. Bij deze geringe overspanningenkomen de economische voordelen hetbeste tot hun recht.E. en staalplaat-betonvloer wordtgevormd door een koud gepro-meerde staalplaat, waarop eenlaag in het werk gestort beton is aange-bracht. Om de samenwerking tussen debeide materialen in de gebruiksfase tewaarborgen, zijnin de staalplaatvervor-mingen gewalst.56 Cement 1992 nr. 31 Bruto vloerdikte -voorgespannenstaalplaat-betonvloer1=6?15mh = circa 1140 . I? (0,8 ? 0,9)= 180 ? 350 tntnre materiaalkosten exclusief BTW enzijn gebaseerd ophetprijsniveauvande-cember 1991. Additionele kosten voorarbeidsloon, transport of hulpstukkenzoals bijvoorbeeld eindverankeringen,zijn buiten beschouwing gelaten. Af-zonderlijke materiaalfactoren, incou-rante afmetingen ofeventueel door in-dividuele kopers te verkrijgen quan-tumkortingen zijn evenmin in deze ta-bel meegenomen. De gegeven waardenin de tabel zijn bijvoorbeeld voor hetvoorspanstaal FeP 1860 verkregen doorde volgende berekening:guldens/kg . kg/m3: Fpu ==1,60 . 7850/1860 = circa f 7,-/MN/m.Een combinatie van een staalplaat-be-tonvloer met voorspanning biedt naastde traditionele ook nog een aantal be-langrijke aanvullende voordelen [1]:- het eigen gewicht wordt gecompen-seerd door de opwaartse druk van devoorspanelementen;- de vloer vertoont geen negatieve op-buiging na het voorspannen;- de geringe vloerdikte kan worden be-houden door de gunstige relatie tus-sen eigen gewicht en gebruiksbe-lasting;- de additionele kosten van het voor-spannen en de eindverankeringenkunnen aanzienlijk worden vermin-derd door over meer velden voor tespannen;- de gebruikelijke bijlegwapening voorvoorgespannen vloeren kan achter-wege worden gelaten met uitzonde~ring van de splijtwapening;- door toepassing van in het werk ge-stort beton kan een afwerkvloer(eventueel) achterwege blijven;- rekening houdend met de doorsnede-vorm van de staalplaat is een goededekking van de voorspanelementenbij brand te realiseren;- grote kolomvrije ruimten zijn moge-lijk;- door middel van optimalisatie van destaalplaatprofielen kunnen uitge-kiendevloersystemenwordenverkre-gen.Dit gehele pakket van mogelijkhedenen voordelen is het uitgangspunt ge-Cement 1992 nr. 3weest om dit nieuwe vloertype nader tebestuderen. In dit artikel worden detheoretischeachtergronden,hetexperi-mentele onderzoeken de resultaten vande eerste proeven gepresenteerd.Inmiddels is aan de TU Eindhoven eenvervolgonderzoek gestart dat zich richtop de rotatiecapaciteit ter plaatse vaneen steunpunt indien dit vloertypewordt toegepast over meer dan tweesteunpunten.Hetvervolgonderzoekbe-oogt eveneens de mate van toelaatbareherverdeling van momenten te bepalen.Figuur 1 geeft een indruk van de brutovloerdikte in relatie tot de overspanningbij een doorgaande VSB-vloer (een af-werklaag kan eventueel achterwegeworden gelaten).GrondslagenDe voorspankrachten introducerendrukspanningen in het beton en viaschuifspanningen tussen beton en staalook in de staalplaat. Het gebogen ver-loop van de voorspanelementen levertkrommingsbelastingen die in de veldenomhoog en boven de steunpunten om~laag zijn gericht. De voorspankrachtenkunnen zo worden gekozen dat het ei-gen gewicht van de vloer wordt gecom-penseerd. Een grotere krommingsdrukzou tot ongewenste opbuigende mo~menten kunnenleiden wanneer er in dedesbetreffende velden geenveranderlij-ke belasting zou werken.In de gebruikstoestand werkt in de vel-den, in de trekzone van een doorsnede,het voorspanstaal samen met de staal-plaat. Boven de steunpunten werkt hetvoorspanelement,.als trekwapening, sa-men met de aanwezige staalplaat en hetniet-voorgespannen betonstaal. Aan deonderzijde, in de drukzone, werkt hetbeton samen met de staalplaat.De werking van de krommingsdrukkenlangs de voorspanelementen verschiltniet principieel van die van andere be~lastingen, zoals eigen gewicht en veran-derlijke belasting, op een conventionelestaalplaat-betonvloer.De bestaande rekentechnieken kunnenhiervoor als toereikend worden be-schouwd. Echt afwijkend is alleen de in-leiding van de voorspankrachten in hetbeton in de gebieden nabij de veranke~ringen. Hetonderzoekis dan ookin eer-ste aanleg op die zones gericht waar devoorspankracht in de vloer wordt inge-leid. Hierbij is de belangrijkste vraag ofen zo ja in welke mate, beton en staalgaansamenwerkenals eenconstructievevloer. Indienersprake is van een perma-nente samenwerking tussen de beidematerialen in degebiedenwaar devoor-spankrachten worden ingeleid, dan zal,zo is de verwachting, het vloersysteemals ??n constructief geheel functione-ren.Door krimp, kruip en relaxatie van hetvoorspanstaal nemen de voorspan-krachtenlangzaam af. Hetongeveer 10%overspannenvandevoorspanelementencompenseert deze effecten.Deinvloed vankrimp en kruip op de sa-menwerking tussen het voorgespannenbetonen destaalplaatis in ditonderzoekniet nader onderzocht. Dit is gebaseerdop de volgende overwegingen:a. De invloed van krimp en kruip op desamenwerking tussen beton en staalzal buiten het overdrachtsgebied vande voorspankrachten niet verschillenvan conventionele staalplaat-beton-vloeren.b. Juist in het inleidingsgebied van devoorspankracht wordt een eventueletoename van de schuifspanning tus-sen staal en beton als gevolg vankrimp en kruip in hoge mate gecom-penseerd door de afname van devoorspankracht als gevolg van relaxa-tie van het voorspanstaal en slip in deverankering.c. Tijdens de proefneming traden nochtijdens, noch na het aanbrengen vande voorspanning excessieve verschui-vingen tussen beton en staalplaat op.Hieruit valt te concluderen dat de sa-menwerking tussen staal en betonvoldoende intact blijft.In de praktijk worden twee verschillen-de voorspansystemen gehanteerd: meten zonder aanhechting. In het hier ge-presenteerde vloersysteem is gebruikgemaakt van voorspanning met aan-hechting.57L- IONDERZOEK IVOORSPANNINGlhschematschemaB0,2~j 0 ~--r---r--~"'--"~ 0,1-?zmet deformaties heeftzijn eigenverbin-dingskarakteristiek, welke verder enigeafhankelijkheid vertoont met de toege-paste betonsterkteklasse. In de bereke~ningen is gebruik gemaakt van karakte-ristieken bepaald uit meetgegevens vande vierlijns-buigproefen karakteristie-ken verkregen met de methode Daniels[2,3]. Figuur 4toont de verbindingska-rakteristiek van de staalplaat PSV 73volgens deze methode.BeproevingenDe beproevingenzijn uitgevoerd op eenvoorgespannen staalplaat-betonvloermet een overspanning van 7200 mm eneen breedte van 1700 mm (fig. 5).Ih.o.h. afstand voorspanstrengen~ .. ... . fI~~ ~~voorsoanstre!llH!n FeP 1860, 150 mm~ h.c.h. 530 mm~splijtwapening FeB 400200 7200 200Teneinde bovengenoemde berekeningte kunnen uitvoerenis hetvan essentieelbelang te beschikken over een r-o-ka-rakteristiekvan de verbinding tussen destaalplaaten het beton. Deze karakteris-tiek geeft het verband aan tussen optre-dende verschuivingen en schuifspan-ningen.Elktypegepro6.leerdestaalplaatDoordat de voorspankracht zich vanafde verankeringen onder een bepaaldehoekzal gaan spreiden, is hetwerkzamedeel van de doorsnede in het over-drachtsgebied niet constant. In de te-kenmethode wordt een spreidingshoeka = arctan %aangehouden, conformVB 1974/1984, art. F-211 (fig. 3).5 Geometrie proefstuk3 Rekenmodel inleiding voorspankracht P met krachtinleidinggebied voorspreiding voorspankracht in hoogterichting (i~) en breedterichting (ib)4 VerbindingskarakteristiekstaalplaatA= schuifkrachtoverdracht doormiddel van aanhechting verbrokenB = schu?krachtoverdracht doormiddel van wrijving en deformatiesverbrokenIn de rekenmethode wordt de staal-plaat-betonvloer geschematiseerd toteen vlakke constructie (fig. 2). De diktevan de staalplaat en de betonlaag wor-den zodanig bepaald, dat de werkelijkeverhouding tussen beton- en staalplaat-oppervlakte gehandhaafd blijft. Hetdeel van de voorspankracht dat viaschuifkrachten in de staalplaat terechtkomt, blijft hierdoor ongewijzigd.In de berekening wordt het over- ~drachtsgebied verdeeld in een aantal L- _elementen met lengte dx. Voor elk ele-mentwordende schuifspanning,dever-schuivingen deveranderingvan de nor-maalspanningen in zowel de staalplaatals het beton bepaald. Hiermee is hetverloop van de schuifspanningen in hetoverdrachtsgebied te berekenen.Theoretische achtergrondOm de schuifspanningen tussen destaalplaat en het beton ten gevolge vaneen voorspankracht te kunnen bereke-nen, is een rekenmodel ontwikkeld. Hetuitgangspunt van de berekening is, datnaeenzekeroverdrachtsgebieddevoor-spankracht zich heeft verdeeld over degehele doorsnede, afhankelijk van deverhouding van de elasticiteitsmodulien de oppervlaktevan debeide materia-len. Voorbij dit overdrachtsgebied,waarvan de lengte door middel van eeniteratief rekenproces wordt bepaald,zijn de schuifspanningen en verschui-vingen gereduceerd tot nul.Prohleetnstellillg1. Wanneer voorspanning wordt toege-past in een staalplaat-betonvloer,ontstaaner in hetgebied direct achterde verankeringen schuifspanningentussen de staalplaat en het beton.Voordat tot een daadwerkelijke toe-passing in de praktijk kan worden 1---~-------~~~~------------~~~-4overgegaan, is het van primair belang 2 Werkelijke en geschematiseerde doorsnedeinzicht te krijgen in de orde van 1---'-~~---------------------------~---1grootte van deze schuifspanninngenen de hiermee samenhangende ver~schuivingen.2. Om een voorgespannen staalplaat-betonvloer als samengestelde con-structie te kunnen beoordelen, dientte worden nagegaan in welke matehet beton, de staalplaat en het voor-spanstaal samenwerken in een opbuiging belaste doorsnede. De in-vloed van de voorspanning op destijfheid en de sterkte van het vloer-element staan daarbij centraal.Beide aspectenzijn benaderd door mid-del van rekenmodellen. De rekenmo- 1------~~--------.--------~---~~~~4dellen zijn getoetst met een vierlijns-buigproef op een voorgespannen staal~plaat-betonvloer met een overspanningvan 7200 mmo58 Cement 1992 nr. 37 Proefstuk bij 200 nun doorbuiginggen in de wijze waarop de staalplaat-be-tonvloer reageert op het aanbrengenvan een voorspankracht. Bij aanvangvan de proefligt het proefstuk op tijde-lijke ondersteuningen. De voorspan-kracht is aangebracht in drie fasen: tot50% van de totale voorspankracht, ver-volgens tot 75% en tenslotte tot 100%. Naelke fase zijn metingen uitgevoerd.MetingenOp de bovenzijde van het proefstuk zijnverplaatsingsopnemers aangebracht,aan de onderzijde op de staalplaatbo-ven- en onderflens rekstroken. Aan debeide uiteinden van het element zijnverplaatsingsopnemers geplaatst omeindverSchuivingen te kunnen meten.Direct achter de verankeringen zijn inde staalplaat een aantal meetopeningengemaakt, waardoor behalve de eindver-schuiving, ook de verschuiving van destaalplaat ten opzichte van het beton openige afstand van het eind kon wordengemeten.BelastingsproifHet vervaardigde proefstuk is onder-worpen aan eenvierlijns-buigproef(!Oto6-7) om het totale gedrag van het voor-gespannen vloerelement te kunnenanalyseren.Resultaten experimenteelonderzoekVoorspanproifSchui&rachtoverdracht in een staal-plaat-betonvloer komt tot stand doordrie verschillende mechanismen: aan-hechting tussen het beton en de staal-plaat, wrijving en speciaal in de staal-plaat aangebrachte deformaties. Voorhet storten is de helft van de staalplaatvolledig ingesmeerd met bekistingsolie.Hiermee werd getracht de schuif-krachtoverdracht aan ??n plaathelfthoofdzakelijk te laten plaatsvindendoor .de deformaties in de staalplaat.MateriaalkeuzeDe keuze van de staalplaatspeelteen be-langrijke rol bij het op economisch ver-antwoorde wijze vervaardigen van eenconstructie.Enerzijds moet de staalplaattijdens het storten over goede eigen-schappen beschikken om het aantal on-derstempelingen tot een minimum tebeperken, anderzijds moet de staalplaatin het gebruiksstadium een wezenlijkebijdrage leveren aan het opnemen vantrekkrachten. De eigenschappen van destaalplaat tijdens het storten zijn echtervoor een eerste beproeving van onder-geschikt belang.Zoals reeds is vermeld is het belangrijkte beschikken over de verbindingska-Cement 1992 nr. 3rakteristiek. De keuze voor de staalplaatis daarom gevallen op de Prins StalenVloerplaat, profielhoogte 73 mm, kort-weg PSV 73. De betonspanning directachter de ankerplaten heeft ertoe geleiddat gekozen is voor betonsterkteklasseB 45.Uitgangspunt bij het vervaardigen vanhet proefstuk en het dimensioneren vande voorspanwapening is, .dat het eigengewicht geheel door de voorspanningwordt opgenomen. In dat geval kanworden volstaan met een enkelstrengs-voorspansysteem.VoorspanproifHetdoelvan deze proefis inzicht te krij-Tijdens het aanbrengen van de voor-spankracht zijn aan de uiteinden vanbeide plaathelften verschuivingen tus-sen de staalplaat en het beton gemeten.Doormiddelvanrekstrokenzijnoverdelengtevanhetproefstuk staalstuiken ge-meten. Hierdoor werd een beeld ver-kregenvan hetverloop van de normaal-drukkracht in de staalplaat ten gevolgevan het aanbrengen van de voorspan-kracht. Figuur 8 geeft een overzicht vande uit de gemeten staalstuiken bereken-de normaaldrukspanning in de staal-plaat bij 100% voorspankracht. Het ge-bogen verloop van.de voorspanstrengenen de daardoor veroorzaakte opbuigingvan het vloerelement is duidelijk terugte vinden in de figuur: de drukspanning59___-~~~----IONDERZOEK IVOORSPANNING258 Verloop staalspanning bij 100% voorspankrachtmeetpuntenL M NI I 12~KIDe grootte van het bezwijkmomentwordt bepaald door de oppervlakte vande staalplaat en de hoeveelheid voor~spanwapening. De grootte van de voor-spankracht is niet van invloed op degroottevanhet bezwijkmoment. Figuur10 geeft.de gemeten M-K-relatie weer,welkeeengoede overeenkomstvertoontmet de berekende relatie, voor 180 kNper voorspanstreng [4].zaakt doordat ten gevolge van de druk-spanning over de doorsnede scheurvor-ming in het beton zal optreden bij eenhogere belasting dan in het geval waarinvanvoorspanninggeensprakeis. Ookdeextra hoeveelheid (voorspan-)wapeningleverteenbijdrage aandevergrotingvande buigstijfheid.G HI ! ! !droog ~L-..,.. olieFIEIoIlS 5r 0-tr----'-----r---,----,---'----'-r"--'T-,-------,...--...,....---,----,-------,i4!?20;::; 10E.@z15nen beton. De uitkomsten van de bere-keningen zijn vergeleken met de bij demodelproef uit metingen afgeleidekrommingen en de bijbehorende opge-legde belastingsgevallen. Figuur 9 geefteenvoorbeeldvanberekende M-K-rela-ties bij verschillende grootte van devoorspankracht. De lijnen a tot en met egeven de situatie weerwaarinvoorspan-wapening in de doorsnede is aange-bracht. Lijn fgeeft tervergelijkingde re-sultaten van een zelfde doorsnede zon-der voorspanwapening.Het aanbrengen van een voorspan-.kracht op een staalplaat-betonvloer re-sulteert in een hogere buigstijfheid. Demate waarin deze buigstijfheid toe-neemt is afhankelijk van de grootte vande voorspankracht. Dit wordt veroor-BelastingsproifHet verband tussen momenten enkrommingen is berekend door uit tegaan van bi-lineaire spanning-rek rela~ties voor de verschillende materialen enaan te nemen dat vlakke doorsnedenvlak blijven. Met behulp van de opstel~ling van de evenwichtsvergelijkingentussen krachten en momenten kan danhet verband tussen momenten enkrommingen worden afgeleid. Daar-voor is in een rekenprogramma een ite-ratieve procedure opgesteld, die te ver-gelijken is met de klassieke grafischemethode van M?rsch voor voorgespan-in de staalplaatis groter in.de onderflensdan in de bovenflens.Naarmate de voorspankracht toeneemt,vermindert de belasting op de tijdelijkeondersteuningen.Deinvloedvan hetei-gen gewicht wordt hierdoor groter. Heteffect van deze tegengesteld .aan elkaarwerkende belastingen veroorzaakt inhet middengedeelte van het vloerele-ment lagere normaalspanningen.Zowel aan de droge als aan de geoliedeplaathelftzijn vrijwel geen verschuivin~gen gemeten. De grootste gemeten ver-schuiving tussen het beton en de staal-plaat bedroeg slechts 4 firn .aan.de drogeplaathelften7firn aande geoliedeplaat-helft. De samenwerking tussen het be-ton en de staalplaat is derhalve niet ingevaar geweest. Uit de proefkan gecon~cludeerd worden dat de schuifspannin-gen tussen de staalplaat en het beton zogering zijn, dat de inleiding van eenvoorspankracht voor een praktischetoepassing geen problemen oplevert.0,060,04320,02////I/I//I/r r Ir r /__L voorbelasting280260240220200lBO160140120100Ez BO-'