O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2005 5 71In [1] is de mogelijke schijfwerking besproken vangemetselde scheidingswanden (invulwanden) tussenkolommen. Horizontale krachten worden vooral viaschijfwerking in de wand en minder via buiging van destaven van het raamwerk, naar de fundering afgedra-gen. De invulwanden vergroten de stijfheid en sterktevan het raamwerk; het raamwerk vergroot de ductiliteitvan de brosse invulwanden. In theorie verzorgen deraamwerken de ductiliteit en de invulwanden de stijf-heid. In [1] is tevens aangetoond dat zich in de invul-wand een drukschoor ontwikkelt. De breedte van dezedrukschoor was een belangrijk aspect bij dit onder-zoek. Voorts werden randcondities zoals stijfheid vanhet frame, open of gevulde voegen en het gebruik vanhoekstukken experimenteel onderzocht.De mate van diagonale schoorwerking hangt af van deverhouding tussen de stijfheid van het raamwerk envan de invulmuur, van de contact-, hecht- en schuif-karakteristieken van de raamwerk-muur-interface envan de sterkte van het materiaal kalkzandsteen onderbiaxiale belasting [2] en [3].In dit onderzoek is de invloed bestudeerd van:? de verhouding tussen de stijfheid van het raamwerken die van de invulwand;? een open voeg tussen de bovenbalk van het raam-werk en de invulwand;? het gebruik van een stalen hoekstuk.E x p e r i m e n t e nHet doel van de proeven was het observeren en metenvan de respons op afschuiving van met kalkzand-steenelementen ingevulde stalen frames, alsmede vande invloed van de eerder genoemde parameters opdeze respons in termen van stijfheid van het ingevul-de raamwerk, spanning-rekverdeling in de construc-tie, scheursterkte en schadepatronen.De ingevulde raamwerken zijn getest in een opstel-ling van twee identieke driehoeken van HE 300 B pro-fielen, waartussen het proefstuk was geplaatst (foto 1).De driehoeken waren op de hoekpunten met stalenelementen gekoppeld.Het ingevulde raamwerk was aan ??n zijde scharnie-rend opgelegd in een zwaar stalen blok, dat tevensde twee driehoeken van het beproevingsframe kop-pelde. Aan de andere zijde was een roloplegginggeformeerd, waarvoor de twee in figuur 2 gegeventypen werden gebruikt als koppeling tussen frame enraamwerk: een dunne stalen plaat en bij de laatste zesproeven vier stalen draadeinden. Het raamwerk werdaan de bovenzijde horizontaal belast.De raamwerken van 3 x 3 m2waren gemaakt van HE-profielen met semi-stijve boutverbindingen, de invul-wanden van kalkzandsteenelementen 879 x 594 x 150mm3, met lijmmortel. Vijf verschillende typen werdenin duplo getest. De belangrijkste, in tabel 1 gegevenkarakteristieken, waren:? de stijfheid van het raamwerk;? wel of geen open voeg;? wel of geen hoekstukken.Bij het invullen van een frame met gelijmde elemen-ten blijven er openingen tussen de wand en het om-ringende frame, later nog versterkt door krimp vande invulwand. In de proevenserie zijn frames ver-Ontwerpen en dimensioneren van steenconstructies (22)Experimenteel onderzoek naar deschoorwerking van kalkzandsteeninvulwandenB.M. Ng'andu Msc. en dr.ir. A.T. Vermeltfoort, TUEindhoven, faculteit BouwkundeOnderzocht is de schoorwerking van een invulling vaneen raamwerk met kalkzandsteenelementen. De stijf-heid van kolommen en balken van de raamwerken werdgevarieerd, aansluitvoegen werden bewust opengelatenen in enkele gevallen werd met stalen hoekstukken delastinleiding gewijzigd. Het bezwijken werd ingeleid doorscheuren evenwijdig aan de drukdiagonaal.1 |Proefopstelling metingevuld raamwerk.Rechtsonder scharnier-oplegging, linksonderroloplegging. De hori-zontale belasting werdlinksboven aangebrachtstalen plaatt = 20mmdraadstangenM202 |Roloplegging, variantmet een dunne stalenplaat en met draadstan-genO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2005 572geleken met en zonder opening tussen de bovenstebalk en de wand. Ook zijn stijve raamwerken met enzonder hoekstukken vergeleken. Bij de typen 1, 3 en4 werd de 12 mm opening tussen muur en bovenstebalk gevuld met gewone metselmortel, terwijl dezebij de typen 2 en 5 werd opengelaten.Om de negatieve effecten van de open voeg te ver-kleinen, was een wigvormig stalen blok in de hoekaangebracht. Het idee hierachter was het contact tus-sen wand en frame te verbeteren, zonder de boven-ste voeg te vullen. Deze hoekstukken zijn bij typen 4en 5 aangebracht.De belasting werd via de flens van de wig in de muurgebracht. Bij type 4 was de voeg gevuld, bij type 5 niet.De positie van het proefstuk ten opzichte van deomgeving werd met LVDT's gemeten. Om de rekver-deling in de wand te meten werden rekstrookrozet-ten gebruikt, in een raster van 500 x 500 mm2op demuur gelijmd. Openingen en slip in de muur-raam-werkaansluiting werden op belangrijke punten metLVDT's gemeten. Ook werden LVDT's aangebrachtover een aantal voegen in de wand (fig. 3).De belasting werd met een krachtmeetdoos en de vij-zelverplaatsing met een LVDT gemeten.De proef werd gestuurd door een 2 MN hydraulischevijzel met een snelheid van 1 mm/min, ter hoogtevan de bovenbalk te laten bewegen.H o o f d s p a n n i n g e nDe hoofdspanningen zijn berekend uit de metingenmet de rekstrookrozetten. Voor een rozet metrekstroken onder 45oworden de hoofdspanningengegeven door:1 2,E1 ?a c+2E2 1 +( )a b?( )2c b?( )2+?=De richting van de hoofdspanningen volgt uit:2tan2b a c??c a?=waarin:E is de elasticiteitsmodulus; is de dwarscontractieco?ffici?nt;a, b, en czijn de gemeten rekken in de drie gegevenrichtingen; is de hoek van de hoofdspanning met derichting van a.Uit aanvullende proeven op kleinere kalkzand-steenelementen volgde een gemiddelde E = 6000N/mm2. Ofschoon uit deze proeven volgde dat dewaarde van met de belasting varieert, werd voorhet bepalen van de hoofdspanningen een gemid-delde waarde van 0,2 aangehouden. De waarde en derichting van de hoofdspanningen werden berekendop verschillende plaatsen en bij verschillende belas-tingsniveaus. In figuur 4 worden de resultaten voorINFRA 6 voorgesteld als cirkels van Mohr, waarbij dediameter en arcering een indicatie zijn van de groottevan de hoofdspanningen. De gegeven figuren betref-fen respectievelijk belastingen van 50, 200, 300 en 380kN. Bij 391 kN trad scheurvorming op. Voor de duide-lijkheid zijn de cirkels bij 50 kN belasting op de dub-bele schaal van die bij 200, 300 en 380 kN getekend.Tabel 1 | Beproefde typen invulwandentype code balkdoorsnede kolom-doorsnede muurdikte (mm) opening (mm) hoekstuk1 INFRA 1 en 2 HE200B HE180B 150 0 nee2 INFRA 3 en 4 HE200B HE180B 150 12 nee3 INFRA 5 en 6 HE240M HE240M 150 0 nee4 INFRA 7 en 8 HE240M HE240M 150 0 ja5 INFRA 9 en 10 HE240M HE240M 150 12 jaFLVDTglobale positieLVDT over voegof openingrozetcba3 |Locaties LVTD's voormeting van de positie tenopzichte van omgeving,LVTD's over voegen enover aansluiting muur-raamwerk, rekstrook-rozettenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2005 5 73Uit de hoofdspanningsverdelingen wordt het vol-gende duidelijk:? de belasting wordt hoofdzakelijk via een diagonaledrukschoor overgedragen. Uit figuur 4 blijkt dathoe verder een meetpunt verwijderd is van de dia-gonaal, des te kleiner is de diameter van de cirkelvan Mohr en derhalve ook de spanningen;? de diagonale drukschoor is duidelijker herkenbaarbij hogere belastingen. In het voorbeeld is dat tezien aan de vrijwel gelijke diameters van de cirkelsvan Mohr bij lage belasting (50 en 200 kN) vergele-ken met de duidelijk verschillende diameters bij dehogere belastingen (300 en 380 kN);? de hoofddrukspanningen zijn groter in de nabij-heid van de belaste hoeken;? de hoofdtrekspanningen zijn groter in het midden-gebied van de muur.L a s t - v e r p l a a t s i n g s d i a g r a m m e nLast-verplaatsingsdiagrammen voor alle proefmurenzijn gegeven in de figuren 5 t.m. 7, de daaruit afge-leide stijfheden en scheurbelastingen in tabel 2.Elk last-verplaatsingsdiagram heeft een hoge initi?lestijfheid, gevolgd door een overgangsfase waarbijmuur en raamwerk van elkaar gaan in de trekhoe-ken. Deze overgang wordt gevolgd door een linearelast-verplaatsingstak, totdat plotseling een hoofd-scheur optreedt.Deze hoofdscheur ontstond hoofdzakelijk door dia-gonale trek. In sommige gevallen werd eerst afschui-ving van de bovenste laag elementen waargenomen.Als een diagonale scheur optrad, viel de last metcirca 30% terug. Als afschuiving optrad, hersteldede stijfheid van het ingevulde frame zich daarnadirect. Ook nadat de invulling van het raamwerkwas gescheurd, kon de belasting nog verder wordenopgevoerd.Invloed van de open voegVergelijking van de resultaten van proefstuktype 1met die van type 2 (fig. 5) laat zien dat een open voegbovenaan:? een reductie van de primaire stijfheid veroorzaakt;? een tijdelijke terugval veroorzaakt als het raamwerken de invulling in de trekhoeken uit elkaar gaan;? grote verplaatsingen veroorzaakt in de overgangs-fase. In deze fase bewoog de invulling in het om-ringende frame en sloot zich uiteindelijk op in dedrukhoeken van het raamwerk;Invloed van de zwaarte van de frameprofielenVergelijking van de resultaten van proefstuktype 1met die van type 3 (fig. 6) laat zien dat met zwaardereframeprofielen:? de overgangen in stijfheden vloeiender verlopenals de invulling en het raamwerk uit elkaar gaan;? de primaire stijfheid van het stijvere proefstukgroter is en de hoofdscheuren pas bij grotere belas-ting optreden. Deze toename is niet noodzakelijkevenredig met de toename van de (initi?le) stijfheidvan het raamwerk. Bijvoorbeeld, bij een verplaat-sing van 5 mm is het verschil in belasting op hetbuigzame raamwerk (met stijfheid 3 kN/mm) enhet stijve raamwerk (met een stijfheid van 10 kN/mm) gelijk aan 35 kN. In figuur 6 is te zien dat hetovereenkomstige verschil in belasting op het stijveraamwerk INFRA 6 en het buigzame raamwerkINFRA 2 gelijk is aan 170 kN.Invloed van een hoekstukEen toename van de belasting zonder merkbareverplaatsing (fig. 7 voor INFRA 9 en INFRA 10) ismogelijk doordat de kleine beweging van de muur,380 kN300 kN200 kN50 kN= 2 N/mm2=22 N/mm= 2 N/mm2= 4 N/mm212cirkel van Mohr4 |Hoofdspanningen - INFRA6 - bij belastingen van50, 200, 300 en 380 kN.Het middelpunt van decirkel valt samen methet punt waar met derekstroken werd geme-ten. De vector geeft degrootte en de richtingvan de hoofdspanningenweer, grijs is druk, witis trek30020010000 5 10 15 201 423kracht(kN)horizontale verplaatsing (mm)5 |Last-verplaatsings-diagram - invloed vanopen of gevulde voegINFRA 1 en 2: gevuldevoegINFRA 3 en 4: open voegO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2005 574nodig om contact te maken in de belaste hoek,kortstondig de stijfheid van het ingevulde frameverlaagt. De invulling sluit zich echter snel op in hetraamwerk, waardoor de combinatie erg stijf reageert,totdat raamwerk en invulling uit elkaar gaan, waar-door de stijfheid weer afneemt.Vergelijking van de resultaten van de raamwerktypen4 en 5 met de andere drie typen toont dat een hoek-stuk:? de belasting verhoogt waarbij frame-muurscheidingoptreedt;? de primaire stijfheid van het ingevulde raamwerkverhoogt. De inleiding van de belasting in de invul-ling is beter door het betere interface-contact. Alduswordt de eerder geobserveerde invloed van eenopen voeg in wezen ge?limineerd, aangenomen dateen open voeg dezelfde invloed heeft in zowel buig-zame als stijve raamwerken.C o n c l u s i e sUit de spanningsverdeling volgt dat de invullingwerkt als een drukschoor die in het midden breder is.Kracht-verplaatsingsgrafieken hebben een steil begindat overgaat in een minder steil lineair verlopend `pri-mair' deel.De horizontale verplaatsingen in de overgangsfasewaren groter voor de ingevulde raamwerken meteen open voeg aan de bovenzijde. Gedurende dezeovergang kwam de invulling los van het raamwerkaan de twee trekhoeken en sloot zich vast op in dedrukhoeken.Bij alle proeven traden de belangrijkste scheuren plot-seling op. De scheuren liepen min of meer evenwij-dig aan de drukdiagonaal door de elementen.Bij enkele proeven werd afschuiving langs de lintvoegonder de bovenste laag elementen waargenomen,maar direct hierna herstelde de stijfheid zich weer. Bijproeven met open voegen tussen invulwand en raam-werk trad een lang overgangsgebied op en was destijfheid lager, hoewel de scheurbelasting nauwelijkslager was. De invloed van deze open voegen was aan-zienlijk minder bij gebruik van stalen hoekstukken.De belasting waarbij diagonale scheurvorming optradwas bij de stijvere raamwerken hoger.DankzeggingHet onderzoek is ondersteund door technologiestich-ting STW. L i t e r a t u u r1. Ng'andu, B.M. en A.T. Vermeltfoort, Ontwerpenen dimensioneren van steenconstructies (11)- Stabiliteit van raamwerken met kalkzandsteeninvulwanden. Cement 2003, nr. 2.2. Mainstone, R.J. en G.A. Weeks, The influenceof a bounding frame on racking stiffnesses andstrengths of brick walls. Proc. 2ndInt. Brick Ma-sonry Conference. Stoke on Trent, England, 1970.3. Ng'andu, B.M., A.T. Vermeltfoort en D.R.W. Mar-tens, The response of steel frames infilled withCASIEL walls to in-plane monotonic loads. Proc.13thInt. Brick/Block Masonry Conference, vol. 2.Amsterdam, 2004.5004003002001005004003002001000000112233445566778899101052110789kaal stijf raamwerkkaal buigzaam raamwerk6kracht(kN)horizontale verplaatsing (mm)kracht(kN)horizontale verplaatsing (mm)6 |Last-verplaatsings-diagram - invloed van deprofielstijfheid van hetraamwerkINFRA 1 en 2: buigzaamraamwerkINFRA 5 en 6: stijf raam-werk7 |Last-verplaatsingsdia-gram - invloed van eenopen voeg in raamwer-ken met een hoekstukINFRA 7 en 8: hoekstukmet gevulde voegINFRA 9 en 10: hoekstukmet open voegTabel 2 | Stijfheidskarakteristieken en scheurbelastingentype code primaire gemiddelde schuif- diagonale gemiddeldestijfheid primaire sliplast scheurlast diagonalestijfheid scheur-belasting(kN/mm) (kN/mm) (kN) (kN) (kN)INFRA 1 42 n.w. 2931 41 284INFRA 2 39 235 275INFRA 3 29 n.w. 2702 33 278INFRA 4 36 285 285INFRA 5 54 n.w. 4203 59 405INFRA 6 63 n.w. 390INFRA 7 50 340 3654 57 398INFRA 8 63 n.w. 430INFRA 9 74 350 3705 75 365INFRA 10 75 290 360n.w. niet waargenomen