IUTILITEITSBOUW ICONSTRUCTIEFONTWERP I IEKON-SYSTEEM GEEFTRUIMTE AAN GEBRUIKERS ENONTWERPERS (I)proEir.H.W.Bennenk. TU Eindhoven en Schokbeton BVir.P.van Boom. Schokbeton BVEen nieuw houwsysteem in prefah heton voor de utiliteitshouw, zo kan in enkelewoorden hetEkon-systeem worden omschreven waarmee Schokbeton eind 1991 opde markt kwam. Kenmerkend voor dit houwsysteem zijn: geen consoles, minimaleconstructie-afinetingen, ontwerpvrijheid, weinig betonstorten op het werk en eenkorte montagetijd. Het systeem is geschikt voor nagenoeg alle gebruikelijkecombinaties van overspanning en belasting.In dit artikel aandacht voor het Ekon-systeem zelfen voor de samenwerkingbalk-vloerplaat. In een volgend artikel komen de verbindingen aan de orde, alsmedede produktie.en montage van het eerste gerealiseerde gebouw, nam.elijk hijHangar 3 voor Martinair op Schiphol-Oost.BalkenEr zijn twee basistypen balken: een om-gekeerde T-vorm (middenbalk) en eenL-vorm (randbalk) (fig. 2).De zijkantvande balk boven de oplegneus is voorzienvan een regelmatige vertanding (fig. 3).Deze vertanding is basisvoorwaardevoor de constructieve voeg tussen balken vloer, waardoor de vloer als druk-flens kan fungeren.1 Ekon-systeemEkon-systeemHet Ekon-systeem (fig. 1) bestaat uit deelementen: kolommen, balken, BSF-verbindingen en Var?ax-kanaalplaten.Van alle elementen is een groot aantaldoorsneden gestandaardiseerd. Alle on-derdelenzijn op elkaarafgestemd. Hier-door ontstaatsystematiekinhet systeemzelf, in het reken- en tekenwerk en in deproduktie enmontage. Niettemin is eenoptimale ontwerpvrijheid verzekerd.Ekon wordt in hoofdlijnen gekenmerktDe beschikbare tijd tussenbouwinitiatief en realiseringwordt steeds korter. Niet zel-den wordt daarvoor een oplossing ge-zocht en gevonden in meer industri?levoorbereiding en een kortere bouwtijd.Pefab neemt daardoor een steeds be-langrijker plaats in. Schokbeton, onder-deel van de Finse Partekgroep, verruimtdie mogelijkheden opnieuw met de in-troductie van het Ekon-systeem. DePartekgroep omvat verschillende be-drijven in Scandinavi?, West-Europa enhet verre Oosten en is marktleider ophet gebied van prefab beton in West-Europa. Schokbeton heeft hierdoor devrije beschikking over resultatenvan re-search en ontwikkeling, prefabricage-technologie en bouwmethoden uit deverschillende landen.Door uitwisseling van technologie enverdere eigen ontwikkeling is het nieu-we prefab bouwsysteem Ekon tot stand L- -_~~-_~-----_~-~-----~-~----'gekomen. door eenvolledige integratie en uitnut- De oplegneus van de balk is 100, 150 ofting van de verschillende constructie- 200 mm hoog. In de meeste gevallen zalelementen. 100 of150 mm voldoende zijn. De con-structiehoogte blijft daarmee beperkttot de vloerdikte + 105 of 155 mmoDe bovenbreedte van de balk is in prin-cipe gelijk aan de breedte van de kolom.Ditvereenvoudigtde detailleringvandekanaalplaten en schept ruimte voor deringwapening ter plaatse van de kolom-men.Aan de buitenzijde van het gebouw lig-gende balkenende kolommenbij voor-keur in ??n vlak.16 Cement 1992 nr. 2koLombreedtehoogtevariaxplaat.j. 5 mmo== ==100/150/20012003 Vertanding in zijkant balkkoLombreedtehoogtevariaxplaat.j. 5 mmo100/150/2002 Basistypen balkenKanaalplatenDe voorgespannen kanaalplaten wor-den geproduceerd in hoogten van 200,265,320 en 400 mmo Hiermee zijn over-spanningen tot 18 mmogelijk. .De platen worden ol? de oplegneus vande balk gelegd (fig. 4). In de balk zijn opeen afstand van 1200 mm h.o.h., terplaatse vande14ngsvoegen tussen de ka-naalplaten, horizontale sparingen aan-gebracht (fig. 3). Hierdoor wordt tijdensde montage een w4peningsstaaf gesto-ken, die als wapening van de voeg en alskoppelwapening dient.Bij een randbalkworden hiertoe ankers in de balk inge-stort, waardoor de buitenzijde V4n debalk een schone zijde kan blijven (fig. 5).Na montage van de kanaalplaten wor-den de voegen tussen balken en platenen de langsvoegen tussen de platen ge-vuld met een hoogwaardige betonspe-cie, sterkteklasse B 40. Door de vertan-ding in de balk enerzijds en de kanalenin de vloerplaten anderzijdsontstaateenconstructieve getande voeg.Naverhardingvan devoegenis ersprakevaneen samengestelde constructie. Devloerplaat draagt dan bij tot de sterkteen stijfheid.OlGJo>(fJOlCdc'I-dd+--(fJ--t--IVafJQXVerbinding balk-kolom (fig. 6) 4De balken worden in de kolommen op- Aansluiting kanaalplaten aan middenbalkgehangen door middel van in Noorwe-gen ontwikkelde, gepatenteerde stalenBSF-verbindingen. De verbinding be-staat uit een stalen kast die in de balkwordt ingestort en eenstalen kast ('brie-venbus') die in de kolom wordt inge-stort. In de kast in de balk wordt een1---~---~--------~------~--------1zwarestalenplaatgeschoven. De sparing 5in de kolom is in feite de contramal van Aansluiting kanaalplaten aan randbalkCement 1992 nr. 2 17IUTILITEITSBOUW ICONSTRUCTIEFONTWERPDe toelaatbare maatafwijkingen tijdenshet produktieproces zijn zeer gering.Vooral aan de pos?tie en l?gg?ng van detwee ingestorte kasten worden hoge e?~sen gesteld. Door een vergaande stan-daard?satie van de produktie, zowel vande verb?nd?ng zelfals van de balken ende kolommen, kan aan deze e?s vannauwkeur?ghe?d worden voldaan. 6Ten behoeve van de montage blijft ech- ? Verbinding balk-kolomter altijd emge ruimte tussen de stalen I--~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~--,---;plaat en de kasten noodzakelijk. Hier-door verdraaien de balken enigzins. Hetis mogelijk deze verdraa?ng tijdensmontage te corrigeren.De verbinding is in staat om, zonderaanvullende montagevoorziemngen, detijdens montage.optredende wringingop te nemen tot kanaalplaat-overspan-mngen van 8 m.Na montage is er door de aan de onder-zijdevande plaatl?ggende koppelwape-mng van balk en plaat geen wringendmoment in de balk aanwezig.De balk-kolomverb?nd?ng met hetBSF-systeem is een momentvtije Ver-binding. Er zijn ontwikkelingen gaandevoor buigstijve verbindingen.deze plaat. Tijdens montage wordt destalen plaat eenvoudig naar buiten ge-schoven, in de kolomkast. Hiermee is deverbind?ng?nprinc?pegereal?seerd. Alleopemngen worden daarna gevuld meteen g?etmortel op cementbas?s.Schokbeton heeft ten behoeve van hetEkon-systeem twee typen verder ont-w?kkeld en volled?g gestandaard?seerd.Toepass?ng in wanden ?s eveneens mo-gelijk.KolommenDe kolommen kunnen doorgaand overmeer verdiepingen of verdiepingshoogworden uitgevoerd. De mogelijke af-metingen in mm zijn: 240, 290,390,490enz. Elke combinatie hiervan is moge- 7 Ringwapening tussen vloerplaten en balkenlijk, vierkant en rechthoekig.- Doorgaande kolommenEen hanteerbare lengte bij toepass?ngvan over meer verd?epingen doorgaan-de kolommen is circa 20 m.Hierdoorwordtde bouwtijd toteenmi-mmum teruggebracht. Voorgespannenkolommen verdienen de voorkeur van-wegevoordelentenaanzienvanhetpro-duktieproces en in verband met moge-lijke scheurvorm?ng tijdens opslag entransport.Bij zeer grote belastingen die~nen de kolommen echter gewapend teworden uitgevoerd.Doordat de balkoplegging binnen dekolom l?gt bij toepassing van BSF-ver-bindingen, ontstaan lagerekolommo-menten dan bij traditionele prefab sys-temen het geval is.- VerdiepingshogekolommenDe kolommen kunnen ook verdie-pingshoog worden uitgevoerd. In datgeval worden de balken op de kolom~men opgelegd. Veelal kan dit zonderconsoles.. Op de balk komt vervolgensde kolom van de volgende verdieping.Voorwaarde is echter wel dat de kolom~men voldoende afmetingen hebben omde balken verantwoord op te leggen.Vooral voor de hoekkolommen kan ditproblemengeven. Het is dan echter mo-gelijk de hoekkolommen wel te voor-zien van BSF-verbind?ngen.Bet monteren met verdiepingshogekolommen vereist een langere bouw-tijd. Bovendien zijn er beperkingen tenaanzien van de inklemming van de bal-ken. Daarom wordt deze methodemeestal alleen toegepast bij kleine ge-bouwen waar de montageduur eenm?nder grote rol speelt.Ontwerpen met EkonDe afmetingen van de onderdelen vanhet Ekon-systeem zijn volledig op el-kaar afgestemd. De draagfunctie en destijfheid van vloer en balk zijn door dekoppel?ng ge?ntegreerd.De elementen kunnen daardoor metmeer afzonderlijk worden gedimensio-neerd.Stab?liteitDe stabil?teitkanwordenverzorgd doormiddel van in de fundering ingeklemde18 Cement 1992 nr. 28 BasisstramienL2I 111 I I 11 I1 II1 I I I9 Belastingsoverdracht hij eenniet-samengestelde constructie eneen samengestelde constructiekolommen (globaal tot een gebouw-hoogte van 15 m) of door middel vanwanden, kernen of dragende gevelele-menten. In alle gev.allen kan de kanaal~plaatvloer in zijnvlak als een schijfwor-den beschouwd, door een gewapenderingband langs de balken en kolommen(fig. 7).Keuze basis-stramien (fig. 8)De overspanning van de Variax-platenkan vrijelijk worden gekozen tot 18 m.De lengte van de balk kan eveneens vrijworden gekozen. Vanwege de stan-daard-sparingen in de balkvoor de kop-pelwapening in de langsvoeg van dekanaalplaten, dient de balk te passen inhet legpatroon van de platen, waardoorhet wenselijk is L2 als een veelvoud van1,2 m te kiezen. Veel voorkomendestramienmaten zijn 6 en 7,2 m, maarook 9,6 m is mogelijk.Afmetingen elementenUitgaande van de gekozen plaatsingvande kolommen, de belastingen en deoverspanning van de kanaalplaten is hetmogelijk de minimaal benodigde hoog-te vandekanaalplaattebepalen. Vanwe-ge de koppelwapening terplaatse van devoeg dient hierbij voor de rekenlengtevan de platen de stramienafstand teworden aangehouden.Hierna kunnen de kolomafmetingen,indien deze nog niet uit bouwkundigeoverwegingen zijn bepaald, wordenvastgesteld. Constructief gezien wordtde kolommaat bepaald aan de hand vandrie criteria:- draagcapaciteit van de kolom;Cement 1992 nr. 2- minimaal benodigde ruimte voor deBSF-verbinding in de kolom en debalk;- capaciteit van de balk, waarmee deondergrens van de kolommaat lood-recht op de balkoverspanning wordtvastgesteld.Dit laatste criterium komt voort uit dewens de bovenbreedte van de balkgelijkte houden aan de breedte van de kolom.In een aantal gevallen kan het interes-sant zijn om de middenkolommen nietvierkant tekiezen en de randkolommenwel, gelijk aan de kleinste afmeting vande middenkolommen. Voor de kopge-vels kan dan ook een kleinere kolomworden gebruikt,waarbij de ondergrenswordt bepaald door de minimaal beno-digde plaatsingsruimtevan de BSF-ver-binding in de kolom en de balk.Zijn eenmaal de afmetingen van deplaaten de kolom bekend, dan dientvande balk nog slechts de hoogte van de op-legneus te worden bepaald en daarmeede totale balkhoogte. Dit kan eenvoudiggeschieden met behulp van ontwerp-grafieken [l].In uitzonderlijke situaties is het moge-lijk de balk breder te kiezen dan de ko-lom.Bouwkundige enuitvoeringstechnische aspectenMet het Ekon-systeem kunnen bijzon-der kleine constructiehoogten wordengerealiseerd. De hoogte van de balk on-der de vloer is minimaal, waardoor eenoptimale ruimte voor leidingen ont-staat. Ook is een lagere verdiepings-hoogte mogelijk dan bij gebruikelijkeprefab systemen, hetgeen resulteert inminder m2(kostbaar) geveloppervlakenminder (te conditioneren) totaal ge-bouwvolume.Doordat er geen consoles worden toe-gepast is het aansluiten van plafonds,binnenwanden en gevels zeer eenvou-dig.De combinatie: lageconstructiehoogte,slanke kolommen en ontbreken vanconsoles is vooral in de gevel van belang.De bouwkundigeindelingvande gevel-vlakken behoeft nauwelijks meer teworden beperkt en bepaald door con-structieve onderdelen.De montage van het skelet kan in hoogtempo worden uitgevoerd. Met door-gaande kolommen kunnen meer ver-diepingen achter elkaar worden ge-monteerd. Het aanbrengen van wape-ning en het storten van beton op debouwplaats is tot het minimum terug-gebracht. Door een speciaal ontwikkel-de voegspecie en stortmethode van devoegenis hetnietmeer nodig tijdens de-ze werkzaamheden de bouwkraan in tezetten.Samenwerking vloer en balkDe bovenkant van de prefab balk is ge-lijk aan de bovenkant van de kanaalpla-ten. In plaats van een in het werk te stor-tendruklaagvanbijvoorbeeldB 25, is nuprefab beton meteen hoge sterkte (stan-daard is B 65) aanwezig.Na het aanstorten en het verharden vande voegen is er sprake van een samenge-stelde constructie. De vloerplaat dientals flens Van de balk.19I~UT~~{L_I_TE_I_T_SB~O~UW_. ~__I~C_O_N-S-TR-~U~C_T-IE-F-O-NTWE~-._--RP--'-'_------__- 'Indien balk en plaat onafhankelijk vanelkaar kunnen vervormen is er sprakevan een niet-samengestelde constructie.Tussen balk en plaat zal alleen in verti-calezineen belastingsoverdrachtplaats-hebben (fig. 9).De plaat zal in horizontale zin ten op~zichte van de balk verschuiven. Indiendeze relatieve verschuiving wordt ver-hinderd, ontstaater tevens inhorizonta-le zin krachtsoverdracht tussen vloer enbalk.In de afgelopen jaren is in het buiten~land een aantal proeven uitgevoerd opdit soortsamengestelde balken [2,3,4,5,6]. In [7] wordt deberekening ervan be-handeld.De samenwerking van de balk met devloer is slechts mogelijk zolang de voegin staat is.de optredende schuifspannin-gen op te nemen. De capaciteit van devoeg, sterkte en vervorming, bepaalt demate van samenwerking.In de Nederlandse voorschriften is nogniet zoveel vastgelegd ten aanzien vanconstructieve voegen. Recente publika-ties geven op dit gebied wel enige regels[8,9, 10].Daarentegen geven enkele buitenlandsevoorschriften enFIP-rapporten veel in-formatie aangaande de voegwerking en'composite action'.De meeste formules ter bepaling van desterkte en stijfheid van constructievevoegen zijn grotendeels gebaseerd opproefresultaten.Er zijn veel proeven gedaan op zowelgladde als getande voegen. Zuiver opanalytische modellen gebaseerde for-mules blijken nog niet in staat te zijngoede voorspellingen van het breukge-drag ofde breukwaarde te geven.Een en ander is vrij uitvoerig behandeldin [11,12,13]. Over het algemeen blijkenalle formules (behalve bij gladde voe-gen) conservatieve waarden te leveren.Bij alle berekeningsmodellen bevat deformule een betonaandeel (afschuivenvoegmateriaal) en een aandeel voor deinvloed van wapening enJof normaal-spanning.Eendergelijk modelis dange-baseerd op het afschuiven van de voegzelf. De bezwijkvormen als het afschui-ven van de tand, het verschuiven van devoegvlakken en hei bezwijken van dedrukdiagonaal worden voorkomendoor het stellen van bijkomende eisenaan de geometrie van de voeg.De onderlinge verschillen in de diverseformules zijnvooral tevinden in hetbe-tonaandeel, veelal aangegeven met een'wrijvingsco?ffici?nt' en de druksterktevan het voegmateriaal. Enkele formulesrelateren het betonaandeel aan het rela-tieve oppervlak van de voegtanden.In [12] is een vergelijking gemaakt tus-sen een aantal formules en proefre-sultaten (fig. to).Hieruit blijkt dat de formule vanSchwing een goede gemiddelde waardevan de voegsterkte geeft.De CID-formule geeft bij kleine hoe-veelheden wapening enJof kleine nor-rnaaldrukspanning iets kleinere waar-den .dan de andere formules.In het Deense voorschrift 0s 411 wordteenformule genoemd die is afgeleidvande CID-formule. Deze formule wordttevens gebruikt in [8]. In de Deense for-mule wordt de afwijking bij lage wape-ningspercentages gecorrigeerd met eenextra formule.Bij toepassing van grote hoeveelhedenwapening geeft de CID-formule echterzeer hoge waarden in vergelijking metde andere formules. Dit verschil wordtveroorzaakt doordat in de CID-formuleeen lineair verband tussen wapenings-percentage en schuifsterkte is gelegd,terwijlin de andere formules ditaandeelonder eenwortelteken is geplaatst. In deDeense formule is daarom een boven-grens gesteld aan het aandeel van dewa-pening.De grafieken van figuur 11 zijn opge-steld aan de hand van 176 proeven opverschillende voegsoorten, wapenings-hoeveelheden, sterkteklassen van hetvoegmateriaal enz.De formule van Schwing geeft een ge-middelde verhouding tussen proef enrekenwaarde van 1,02, met een variatie~co?ffici?nt van 16%.Voor de bepaling van de sterkte van devoor het Ekon-systeem ontwikkeldevoeg leveren de verschillende formulesnauwelijks significante verschillen op.Gekozen is voor de formule vanSchwing. De keuze hiervoor is groten~deels gebaseerd op de volledigheid vanSchwing ten aanzien van de geometrieen de wapening van de voeg.De hiermee berekende capaciteitvan devoeg varieertvan 533 kN/mvoor de Va-riax: 200 tot 807 kN/m voor de Variax400 (breukwaarden).Om deze waarden afte stemmen op hetgebruikvan deVBC 1990worden ze ge-reduceerd meteen co?ffici?nt 1,3,waar-mee een zelfde veiligheidsniveau isbe~reikt als op basis van de VB 1974/1984.Schwing: T ==u f~k . AAerr [0,04 + 0,44 ( AAs !sy + 0N ) ].b effCID: Tu == 0,09 . f~k '1:r+ ~~ '!sy + oN als ~~ '!sy + ON > O,01f~k106~Pommeret: Tu == Ab . V10 f~k .Aerr(1,63 + Y - 50? 10-4. Yl) -4 ,;21 . 235000 + 22 . 10 . L-1020waann:f~k = karakteristieke kubusdruksterkte voegmateriaalAeff = oppervlakte voegafschuifvlakAb = totale voegoppervlakAs = oppervlakte dwarsdoorsnede koppelwapening1 = voeglengte A . {"Y = ijkfactor = s Jsy1001Formules van Schwing, cm en PommeretCement 1992 nr. 2a.b.~lQ~r- ~ n r--,~0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 ~ 1,5 t1~7-Optredende schuifipann?ngDe optredende schuifspanning is inprincipe veel moeilijker te berekenen.Deze hangt af van de mate waarin deflens 'meewerkt' met de balk.In de VEC 1990 is hiertoe een 'meewer-kende breedte' gedefinieerd. Over dezemeewerkende flensbreedte wordt eenconstant spanningsniveau veronder-steld. In [7] wordt eveneens een mee-werkende breedte gedefinieerd, afhan-kelijk van de onderlinge stijfheden vande flens en debalk. Hieruitvolgen in hetalgemeen grotere waarden voor demeewerkende flensbJ;eedte.Het Ekon-systeem is echter gebaseerdop deVEC 1990.De maximalemeewer-kende breedte van de vloer per zijde isdaarin vastgelegd als 0,1 maal de lengtevan de balk, met een maximum van dehalve overspanning van de vloerplaten.Veelal is hetechternietnoodzakelijkde~ze maximale meewerkende breedte tebenutten. In het gebruiksstadium is hetmeestal mogelijk met een grotere mee-werkende breedte te rekenen dan in hetbezwijkstadium, mits de veiligheid opde voegcapaciteit maar gehandhaafdblijft.8. COR-rapport 136, Voegen in gepra-briceerde vloeren. CUR, Gouda, 1988.9. Straman,J.P., Geprefabriceerde stabi~liteitsconstructies. Stupre/TU-Delft-rapport nr. 25-88-16, 1988.10. Sttaman, J.P., Al Hogeslag en RB.Smit, Geprefabriceerde stabiliteits-constructies. Cement 1989, nr. 3.11. Fijneman,Hl,Literatuuronderzoeknaar op afschuiving belaste voegen. TUEindhoven.12. Mehlhorn, G. en H. Schwing, Trag-verhalten von aus Fertigteilen zusam-mengesetzten Scheiben. DeutscherAusschuss fur Stahlbeton, Heft 288,1977.13. Mehlhorn, G., H. Schwing, K.RBerg, Versuche zur Schubtragfahigkeitverzahnter Fugen. Deutscher Ausschussfur Stahlbeton, Heft 288,1977.14. PIP guide to good practice, Shear atthe interface ofprecast and in situ con-crete. PIP/9/6, ISBN 0907862.02.0,1982.15. Ekon-skelet, samenwerking tussenbalk en Variax:-vloer. Intern rapportSchokbeton, nr T1300-2C, 1991.c.o .......- ,......r - ? h--,~4 ~0.6 0.70.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1~4 1~De grootte van de schuifspanning tus-senplaaten balkkanwordenbepaald uit7: = VdSlbI (14]. Voor gebruik in com~puterprogramma's is het echter vaakeenvoudiger om de maximale ktacht inde plaat (flens van de balk) te bepalenendeze met een zelfde verloop als dedwarskracht over de lengte van de voegte verdelen.De hiermee bepaalde maximale schuif-kracht per lengte dient vergeleken teworden met de maximale capaciteitvande voeg.Ditis eenconservatieve benadering.Eenplastische of semi-plastische benade-ring zou ook mogelijk zijn geweest.fT- r- f--,~~60.7 0.8 0.9 1.0 1.11.2 1.3 1.41.5 1.6 1~---~o.~-Literatuur1. Documentatie Ekon. Schokbeton,1991.2. Research report no. BET8909, Com-posite inverted T-beams loading tests.Technical research centre ofFinland.3. Research report no. BET91516, Com-posite beam loading tests. Technical re-search centre ofFinland.4. Research report no. BET211584, In-vestigation ofthejointbehaviour.Tech-nical research centre ofFinland.5. DT9009,Etudedel'associationdallesalveolees ~ poutres. CERIB DER6. Lees Ltd, Richard, Composite Steeland PrecastConcrete Slabs.Bijdrage aan/-~~~~~~~--~~~-~-l IECA conference Turkije, mei 1990.11 Verhouding ~ussen resultaten 7. PIP guide to goodpractice, Horizon-van beproevIngen enberekeningen vo1~ns Sehwing (a), cm tal Composite Structures. Second draft,(b) en Pomm.eret (e) febr. 1988.Cement 1992 nr. 2 21