O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng encement 2008 3 85De betonnen schaalconstructie isde laatste drie decennia vrijwelniet meer toegepast, voornamelijkomdat deze constructievorm teduur is geworden. De oorzaakvoor de hoge kosten is tweeledig.Ten eerste moet de bekisting dub-bel gekromd van vorm zijn, wat inhout erg bewerkelijk en dus duuris. Ten tweede vormt de schaal-constructie vaak het dak van eengebouw. De bekisting moet danmet behulp van kostbare, ingewik-kelde ondersteuningsconstructiesop de juiste hoogte wordengebracht.De laatste jaren is het door hetgebruik van 3D-tekenpakkettenvoor architecten eenvoudigergeworden in meer complexe vor-men te ontwerpen. Om hierop inte spelen moet de bouwindustrieop zoek naar mogelijkheden omdeze vormen te realiseren. Delaatste jaren is er dan ook eenenorme belangstelling voor hetzoeken naar, en uitproberen vannieuwe productiemethoden enbouwsystemen om de maakbaar-heid van deze `nieuwe' architec-tuur te verbeteren. Kortom, degebogen en vloeiende vormenkomen veelvuldig voor. En als erdan toch in dubbel gekromdevormen wordt ontworpen engebouwd, ligt het constructiefgezien voor de hand om te zor-gen dat die vorm als schaalcon-structie kan werken.P r e f a b s c h a a l d a kOm de betonnen schaalconstruc-tie nieuw leven in te blazen is ineen eerder onderzoek aan de TUEindhoven een ontwerp gemaaktvoor een betonnen schaalconstruc-tie [1]. De constructie is op tedelen in kleine elementen, die intheorie met slechts ??n mal en??n type verbinding te makenzijn, wordt de dure ingewikkeldebekisting overbodig. De schaal-constructie kan daarmee weer eco-nomisch aantrekkelijk worden.Het betreffende schaaldak bestaatuit 400 elementen, waaronder 55verschillende ruitvormen, waarvande zijden allemaal even lang zijn.Voor de fabricage van de elemen-ten wordt een mal gebruikt metvier even lange zijden op dehoeken scharnieren. Daardoorkan deze vrij vervormen en in elkebenodigde vorm worden gefixeerd.De elementen bestaan uit een 30mm dik, vlak schaaldeel en aan deonderkant, in het midden, ribbenvan 70x50 mm. De ribben op hetschaaldeel dienen ter verstijvingen moeten tegelijk ruimte biedenom de verbinding tussen twee ele-Stijve verbinding voor prefab schaalelementenComeback voor de betonnenschaalconstructie?ir. M. de Haas, Pieters Bouwtechniek Zwolle*)De betonnen schaalconstructie verdient een nieuwe kans. In een tijd waarinzuinig omgaan met materialen, duurzaam en demontabel bouwen en ont-werpen in complexere vormen door gebruik van de computer een grote rolspelen, komt de schaalconstructie opnieuw in de belangstelling. De traditio-nele schaalconstructie is vanwege de arbeidsintensieve bouwwijze uit degratie geraakt. Maar wellicht bieden de mogelijkheden van prefabricage incombinatie met zeerhogesterkte(vezel)beton nieuwe kansen voor deze bij-zondere en elegante constructies. In een afstudeeronderzoek aan de TUEindhoven is een verbinding ontwikkeld voor een prefab schaaldak, die in eeneerder afstudeeronderzoek is ontworpen.1 |Impressie van schaaldak*) Mevrouw ir. M. de Haas is op dit onderzoek afgestudeerd aan de TU Eindhoven, fac. Bouwkunde. Deafstudeercommissie bestond uit prof.ir. C.S. Kleinman, prof.dr.ir. D.A. Hordijk en ir. F.L.M. Luijten. Voordeze studie ontving ir. De Haas een eervolle vermelding in het kader van de ENCI Studieprijs 2007.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng en86 cement 2008 3634601101230551 nokken2 sparingen in nokken3 stalen strip4 stalen buisprofiel6 conische staafmenten te realiseren. In [1] is debouwtechnische uitwerkingbeperkt gebleven tot richtlijnenvoor een mogelijke verbinding endetaillering. Per element zijn ervier verbindingen (fig. 2).Aangezien het voorkomen vanbezwijken door doorslag eenbelangrijke rol speelt bij hetdimensioneren van koepels, is bijhet ontwikkelen van het schaaldakveel aandacht besteed aan de sta-biliteit. Hiertoe is een modelgemaakt in het eindige-elemen-tenpakket ANSYS.In theorie kunnen er drie vormenvan instabiliteit optreden:- globale doorslag: de koepel slaatdoor, waarbij de elementen welals ??n geheel blijven samen-werken (fig. 5);- lokale doorslag: elementenslaan ten opzichte van elkaardoor, er ontstaat een kettingre-actie waardoor de gehele con-structie instabiel wordt (fig. 4);- staafknik: er treedt knik opbinnen ??n element.Bij een scharnierende verbindingzal altijd een kettingreactie van lo-kale doorslag optreden en bij eenmomentvaste verbinding altijdglobale doorslag. In de praktijk iseen verbinding niet volledig schar-nierend of volledig momentvast.Het omslagpunt van lokaal door-slaan naar globaal doorslaan be-vindt zich voor dit ontwerp bij 45kNm/rad. Om te verzekeren dathet schaaldak, indien het bezwijktop instabiliteit, dit doet door glo-bale doorslag, moet de verbindingminimaal die rotatieveerstijfheidvan 45 kNm/rad hebben. Deze eisvormt het belangrijkste criteriumvoor de te ontwerpen verbinding.De belangrijkste overige eisen aande verbinding zijn:- een minimale sterkte om deoptredende combinaties vanmomenten, dwarskrachten ennormaalkrachten over te kunnenbrengen;- het kunnen opnemen van maat-afwijkingen;- de mogelijkheid tot demontage(en daardoor een `droge verbin-ding').O n t w e r p p r o b l e m a t i e kEen groot aantal varianten is ont-worpen, die alle in meer ofmindere mate voldoen aan degestelde eisen. Om een droge,demontabele verbinding te realise-ren is het noodzakelijk om, in de??n of andere vorm, stalen onder-delen in te storten. Daarmee is hetnamelijk mogelijk om twee ele-menten te verbinden door middelvan bouten of lassen. Door deslanke afmetingen van de con-structie zijn er zeer weinig moge-lijkheden om met ankers aan eenrandafstand van 50 mm te voldoen.Dit zijn overigens problemen dievaker kunnen voorkomen, nu metde ontwikkeling van zeer-hogesterktebeton steeds slankerkan worden geconstrueerd en ersteeds meer aandacht komt voorduurzaam (demontabel) bouwen.Uit een aantal kandidaat ontwer-pen is een definitief ontwerp geko-zen waarmee aan de doelstellingenkan worden voldaan. Kenmerkendzijn de volgende onderdelen (fig. 5,foto 6). De nokken (1) die zijn toe-gevoegd aan de uiteinden van deribben. Het bleek onmogelijk eendemontabele verbinding te realise-ren binnen de 50?100 mm aan hetuiteinde van de rib. In de nokkenzitten sparingen (2), die voor eenmaximale inwendige hefbooms-arm zo laag mogelijk geplaatstzijn. Door deze sparing wordt bijmontage een draadeind gestokenom twee elementen met boutenaan elkaar te bevestigen.Aan de bovenzijde zijn stalenstrips (3) tegen het schaaldeel inge-stort. Deze strips vormen ??ngeheel met het stalen buisprofiel(4), waarmee de cilindervormigesparing wordt gemaakt. Dat geheelis met beugels (5) in het schaaldeelen een staaf aan de onderzijde inde rib verankerd in het element.De elementen hebben aan dekopse kant van de rib een cilinder-vormige sparing. In die ruimte tus-sen twee elementen komt een co-nische staaf (6). De diameters vande sparing in het element en de co-2 |Verbinding tussen vierelementen4 |Scharnierende verbin-ding; lokale doorslag5 |Momentvaste verbin-ding; globale doorslag3 |PrincipeverbindingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng encement 2008 3 87nische staaf zijn zodanig gekozen,dat de elementen, afhankelijk vande maatafwijking, op verschillendeafstand van elkaar kunnen wordengesteld. Tot slot dient de `dubbelebeugel' (7) als wapening van denokken en de staaf in de rib (8) alshoofdwapening van het element,met name ten behoeve van bui-ging.E x p e r i m e n t e e l o n d e r z o e kOm vast te stellen wat het karakte-ristieke gedrag van de verbindingis, is experimenteel onderzoekgedaan. Gezocht werd naar eenwaarde voor de rotatieveerstijfheiden een indicatie van de sterkte.De mogelijkheid bestaat dat deuiteindelijke verbinding signifi-cant stijver is dan 45 kNm/rad.Aangezien de stijfheid van de ver-binding invloed heeft op dekrachtsverdeling in de constructie,moet de uiteindelijke krachtswer-king opnieuw worden getoetst.De verbinding is ontworpen engedimensioneerd op sterkte enstijfheid. Dit is gedaan aan dehand van de gangbare normen envoorschriften, die alleen geldigzijn onder bepaalde voorwaarden.De uitvoering wijkt echter sterk afvan de gangbare regels.Er zijn daarom proeven gedaanom vast te stellen hoe de verbin-ding zich onder bepaalde belastin-gen gedraagt. Hierbij is, naast destijfheid en de sterkte, gekekennaar de werking van de krachtin-leiding en -overdracht.Om deze aspecten te metenwerden vierpuntsbuigproevengedaan. De rotatieveerconstante Cis de relatie tussen het momentom de y-as en de hoekverdraaiingdie door dat moment wordt ver-oorzaakt. Om C te bepalen zijn devervormingen ten gevolge van deopgelegde belasting gemeten.Tevens zijn twee sets proefstukkentot bezwijken gebracht (foto 7). Inbeide bezwijkproeven is door hetbezwijken van een onderdeel desamenhang niet verloren gegaan,waardoor nog draagkracht over-bleef. Dit bezwijkgedrag is gunstigmet het oog op veiligheid.P r o e f r e s u l t a t e nOpvallend is dat de stijfheid vande verbinding in positieve ennegatieve richting om de y-as indezelfde orde van grootte ligt. Opbasis van de twee bezwijkproevenkunnen geen harde uitsprakenworden gedaan over de sterkte.Uit een analyse volgt dat desterkte in de goede orde vangrootte ligt.Aangetoond is dat de stijfheidaltijd groter is van 50 kNm/rad. Eris dus voldaan aan de minimum-eis can 45 kNm/rad. Overigens isgebleken dat niet kan wordengesproken over `de' stijfheid. Dezeis namelijk afhankelijk van devoorspanning door aandraaienvan de moeren op de bouten enmet name de draadeinden. Daar-naast hebben ook de aanwezigebelasting en de tijdsduur waaroverdie belasting aanwezig is invloed.De laatste twee worden bepaalddoor het gebruik, de voorspanningkan worden aangewend ominvloed uit te oefenen op de stijf-heid.Door een hogere voorspanningaan te brengen wordt de verbin-ding stijver. Daaraan zit ook eengrens. Als op het moment vanbezwijken de voorspanning niet isopgeheven, gebruikt de voorspan-ning een deel van de draagcapaci-teit. Er moet worden onderzochtwelke spanningen er in hetelement door het voorspannenworden ge?ntroduceerd. Daarnaastmoet nader worden onderzochtwat de invloed is van de variatie inde stijfheid op de krachtswerkingvan de totale koepel. Omdat destijfheid mede wordt bepaald doorde aanwezige belasting hoeft destijfheid niet in elke verbindinghetzelfde te zijn, wat weer invloedheeft op de krachtswerking enz. nL i t e r a t u u r1. Arts, R.J., Het ontwerp van eengeprefabriceerde schaalcon-structie. Afstudeerverslag Tech-nische Universiteit Eindhoven,september 2003.2 buisje t.b.v. sparing in nok3 strip 30x6 lengte 120 mm4 buisprofiel 60x50 lengte 100 mm5 2x beugel ?8 mm7 dubbele beugel ?6 mm8 staaf ?10 mm6 |Wapening in element7 |Proefstukken zijn totbezwijken gebracht