O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2007 6 851800 mm spouwanker1800mmbaksteen buitenblad cellenbeton binnenblad kalkzandsteen binnenbladir. G. Bertram, Leerstoel Steenconstructies TU Eindhovenprof.ir.-arch. D.R.W. Martens, Leerstoel Steenconstructies TU Eindhoven, Bureau Dirk Martens bvba, Zingem (B)In Nederland worden de meeste woningen gebouwd inmetselwerk [4]. De Nederlandse winters zijn vaak tame-lijk koud en de zomers nat, wat heeft geleid tot de intro-ductie van de spouwmuur aan het begin van de 20steeeuw. Bij dit bouwsysteem fungeert het buitenspouw-blad als regenscherm. De thermische eisen worden ver-vuld door de isolatie in de luchtspouw. Door de toene-mende energie-eisen zullen in de toekomst dikkereisolatiepakketten (R = 3 m2K/W en meer) nodig zijn. Ditzal leiden tot bredere spouwen met breedtes tot 200mm.Tegenwoordig worden de buitenwanden van woon-gebouwen in Nederland veelal uitgevoerd alsspouwmuur met een baksteenmetselwerk buiten-blad (ca. 100 mm), een dragend binnenblad vanlijmwerk met kalkzandsteenelementen (ca. 100-120 mm) en een spouw van 80 tot 120 mm, gedeel-telijk gevuld met isolatie (ca. 60-100 mm).Volgens de huidige Nederlandse normen is een R-waarde (thermische weerstand) van 2,5 m2K/Wvoor buitenwanden vereist. Dit betekent dat een 80tot 100 mm dikke laag isolatie nodig is. Door detoenemende energie-eisen zullen in de toekomstdikkere isolatiepakketten van R = 3 m2K/W enmeer nodig zijn. Dit zal leiden tot bredere spouwenmet breedtes tot 200 mm.Aangezien de bestaande spouwankers ontworpenzijn voor spouwbreedtes van 80 tot 120 mm, is erweinig kennis voor het ontwerp van spouwmurenmet spouwen groter dan 120 mm. In het Pieter vanMusschenbroeklaboratorium van de TU Eindhovenis een ori?nterend experimenteel onderzoekspro-ject met twee proevenseries (in 2004 en 2005) opge-start om meer inzicht te krijgen in het mechanischgedrag van de spouwankers bij spouwmuren metbrede spouw onder laterale windbelasting [1,2,7].Tijdens de proeven werd een gelijkmatig verdeeldelaterale belasting via een luchtbed op de buitenkantvan het buitenblad aangebracht [5]. Dit type lateralebelasting is de meest kritische situatie voor despouwankers. In de praktijk treedt enige drukveref-fening op, wat resulteert in kleinere krachten in despouwankers. Tijdens het onderzoek is dit effectniet in beschouwing genomen.S p o u w m u r e nBij de twee proevenseries zijn twee extreme situa-ties voor de stijfheidsverhoudingen van de spouw-bladen bestudeerd. In de eerste serie is een relatiefzwak binnenblad van cellenbetonblokken lijmwerk(AAC, tabel 1) beproefd in combinatie met eensterker buitenblad van baksteenmetselwerk (tabel1) en een nieuw type spouwanker (fig. 1a, 1b, 2a en2b). In de tweede serie werd een spouwmuur metstandaard materialen gebruikt, met een relatiefsterk binnenblad van lijmwerk met kalkzand-steenelementen (KZS, tabel 1) in combinatie meteen zwakker buitenblad van baksteenmetselwerken standaard slagspouwankers (fig. 1c en 2c).De buiten- en binnenspouwbladen waren in beideseries 1800 x 2800 mm2groot, met een niet-ge?so-leerde spouw van 180 mm breed. De spouwankerswerden volgens een regelmatig grid (fig. 1b en 1c)geplaatst, met vier spouwankers per m2voor deAAC-wand en zes voor de KZS-wand.Ontwerpen en dimensioneren van steenconstructies (36)Gedrag van spouwankers bijbrede spouwmurenTabel 1 | Maten van de stenen, blokken en elementenstenen/blokken/elementen maten [mm3]baksteen 206 x 96 x 50cellenbeton 600 x 400 x 100kalkzandsteen 900 x 600 x 1001 |Spouwbladen2 |Spouwankersa. b. c.a. b. c.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc ties86 cement 2007 62700mm1 2 3 5 6 7 999spouw-muur100 180 969 114108P r o e f o p s t e l l i n gDe proefopstelling en het meetframe zijn opgebouwduit HE300B- en HE160B-profielen (foto 3). Figuur 4geeft de schematische weergave van de proefopstel-ling.Het draagvermogen van de spouwankers onder late-rale belasting werd onderzocht, door het meten vande luchtdruk in het luchtbed, de vervormingen vanhet buiten- en binnenspouwblad en het bestuderenvan het bezwijkgedrag van de spouwbladen en despouwankers.Figuur 5 laat de meetposities op de spouwmuur zien.De meetposities, die gemerkt zijn met de letter Msymboliseren Mitutoyo klokken, terwijl de letters A,LVDT's voorstellen.M a x i m a l e l a t e r a l e b e l a s t i n g e ns t i j f h e i dFiguren 6 en 7 tonen de deformaties in het middenvan het binnen- en buitenspouwblad als functie vande laterale belasting op een AAC-spouwmuur (fig. 6)en een KZS-spouwmuur (fig. 7). Tot de eerste scheurlaten de grafieken een nagenoeg lineair gedrag zien.Na de top neemt het draagvermogen af tot een bijnaconstante waarde (horizontale asymptoot). V??r deeerste scheur werken het binnen- en buitenspouw-blad samen en ondergaan dezelfde vervorming. Nade eerste scheur (in het binnenspouwblad) heeft hetbinnenspouwblad een grotere vervorming dan hetbuitenspouwblad.De maximale gemeten laterale belastingen bedroegenvoor de AAC-spouwmuren 0,95-1,2 kN/m2en voor deKZS-spouwmuren 1,6-1,9 kN/m2.Zoals te zien is in de figuren 6 en 7 is de stijfheid vaneen AAC-spouwmuur kleiner dan van een KZS-spouwmuur.Tabel 2 geeft de gemiddelde vervormingen in hetmidden van de spouwmuren bij de maximale belasting.Uitgaande van lineair-elastisch gedrag en een iden-tieke vervorming van beide spouwbladen kan de ver-houding tussen de stijfheden van beide spouwmurenals volgt worden berekend:Fmax;AAC/AAC___________Fmax;KZS/KZS 100% =1,1/2,6_______1,8/2,3 100% = 54% [1]met:F = maximale belasting; = vervorming in het midden van de spouw-muur bij de maximale belasting.Volgens vergelijking 1 en met de gegevens in tabel 2,is de stijfheid van de AAC-spouwmuur ongeveer dehelft van die van de KZS-spouwmuur. Dit komtovereen met de verhouding van de sommen van deE-moduli van beide spouwbladen voor respectievelijkde AAC- en de KZS-wand, als hierbij de E-modulivolgens NEN 6790 worden ingevoerd (vergelijking 2):EAAC + EB________EKZS + EB? 100% =2300 + 6000___________9000 + 6000? 100% = 55% [2]met:E = E-modulus.De re?le waarden van de E-moduli van de buigtrek-sterktes werden niet experimenteel bepaald, aange-zien het ori?nterend onderzoek primair gericht wasop het gedrag van de spouwankers. De treksterkte endruksterkte van de ankers werden wel experimenteelbepaald.B e z w i j k m e c h a n i s m e nDe spouwmuren bezweken door het scheuren vanhet binnenspouwblad. De scheur trad op in ??nvoeg in het midden van de wand (foto. 8a). Bij tweeAAC-spouwmuren verbogen de spouwankers van debovenste rij (foto. 8b) tegelijkertijd met het ontstaanTabel 2 | Maximale belasting en bijbehorende vervormingenproefstuk max. vervorming [mm]belasting binnen- buiten-spouwblad spouwblad[kN/m2] midden middengem. AAC 1,1 2,7 2,6gem. KZS 1,8 2,3 2,3(NB. Proefstuk AAC 1 had een iets andere ondersteuning boven aanhet binnenspouwblad)3 |Proefopstelling4 |Schema waarin:1. meetframe2. verplaatsingsopnemer3. binnenspouwblad4. spouw5. spouwanker6. buitenspouwblad7. luchtbed8. bamboe multiplex12 mm9. testframe10. houten strip11. mortel voegO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2007 6 87M5 M6A2 M0A3 A5M3A4 A1M2M1A9 A8A6 M4a. aanzicht instrumentenM0M2M4A2A1 A5M5M6M3M1A4 A3A8A9A6b. doorsnedeopnemers middenc. doorsnedeopnemers links/rechts00,511,520 2,5 5 7,5 10 12,5 15vervorming [mm]belasting[kN/m2]00,511,520 2,5 5 7,5 10 12,5 15AACBaksteenKZSBaksteenvervorming [mm]belasting[kN/m2]van de scheur in het binnenspouwblad. Bij de derdeAAC-spouwmuur en de drie KZS-spouwmuren gingna de eerste scheur het buitenspouwblad hol staan(foto. 8c).C o m p u t e r m o d e l l e nVoor een beter begrip van het mechanisch gedragvan de (AAC) spouwmuren onder laterale belastingwerd een vereenvoudigde computersimulatie inMatrixFrame S3.0 uitgevoerd. Het model is ongeveergelijk aan het model dat beschreven staat in CUR-Aanbeveling 71 [3, 6]. De grootste verschillen met hetCUR-model zijn: de niet geknikte spouwankers, hethorizontaal gesteunde binnenblad en de beperkingtot ??n bouwlaag.Het bezwijkmechanisme van de AAC-spouwmurenwerd gekarakteriseerd door het scheuren van het bin-nenspouwblad in combinatie met het uitbuigen vande bovenste rij spouwankers. Aangezien het ondui-delijk was welk fenomeen het eerst plaatsvond, werdeen lineair elastische berekening uitgevoerd volgensfiguur 9, gebaseerd op de werkelijke proefopstelling(fig. 3, 4). Het model voor de spouwmuur heeft rollenals horizontale ondersteuning van het binnenblad ende spouwankers zijn door middel van scharnierenverbonden aan de spouwbladen.Door stapsgewijs kleine wijzigingen aan te brengenin de computermodellen werden de waargenomenfenomenen gesimuleerd. Er werden in totaal vier ver-schillende modellen bestudeerd. De laterale belastingwerd in de modellen systematisch verhoogd totdatscheurvorming in de spouwbladen of vloeien of uit-buigen van de spouwankers optrad.Model 1Het beginmodel (model 1) stelt de ongescheurdesituatie voor, met onderaan ingeklemde spouwbla-den. In dit geval, bij een belasting van 1,5 kN/m, ishet buigend moment in het onderste deel van hetbuitenspouwblad (0,87 kNm) praktisch even groot alshet theoretisch scheurmoment van 0,9 kNm (buig-treksterkte van 0,3 N/mm2volgens NEN 6790):Ms =b ? I_____z=0,3 ?1___12? 1800 ? 1003___________________50= 0,9 kNm [3]met:Ms = theoretisch scheurmoment;b = buigtreksterkte;I = kwadratisch oppervlaktemoment;z = afstand tot de neutrale lijn.Dit leidt tot het scheuren van de mortel bij de inklem-ming onderaan. Tegelijkertijd overschrijdt de drukin de bovenste rij spouwankers (1,51 kN voor drieankers) de druksterkte van 0,5 kN per spouwanker(uit proeven op de ankers), waardoor men ervan maguitgaan dat de kracht in deze spouwankers niet meerzal toenemen bij toenemende vervorming.Model 2In model 2 werd onderaan het buitenspouwblad eenrol ge?ntroduceerd en werd aan de kracht in de boven-ste rij spouwankers een constante waarde van 1,5 kNgegeven (fig. 9, pijlen 2). Dit betekent dat de bovensterij ankers tot hun maximale druksterkte van 0,5 kNper anker worden belast. In dit geval, bij een belastingvan 1,62 kN/m, is het buigend moment in het onder-ste deel van het binnenspouwblad (0,89 kNm) prak-tisch even groot als het theoretisch scheurmoment.Model 3In het derde model werd een scharnier in hetonderste deel van het binnenspouwblad ge?ntrodu-5 |Posities opnemers6 |Vervormingen van eenspouwmuur met AAC-binnenspouwblad7 |Vervormingen van eenspouwmuur met KZS-binnenspouwblad8 |Bezwijkmechanismena. b. c.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc ties88 cement 2007 642243begin modeleind model42243deleind modelceerd (fig. 9, pijl 3). Bij (nog steeds) een belastingvan 1,62 kN/m, bereikt het buigend moment in hetmidden van het buitenspouwblad het scheurmo-ment (0,87 kNm). De momenten zijn praktischconstant over een hoogte van 1000 tot 1800 mm(0,74 - 0,87 - 0,75 kNm); daardoor zullen in dit deelvan de wand de lintvoegen scheuren, wat leidt tothet uitbuigen van het buitenspouwblad, zoals tezien was in bezwijkmechanisme 2. Tegelijkertijdoverschrijdt de druk in de onderste rij spouwankersde druksterkte (1,74 kN).Model 4Model 4 (het eindmodel) stelt de spouwmuur voorvlak voor het scheuren van het binnenspouwblad.In dit model werd de E-modulus van de twee mid-delste secties van het buitenspouwblad gereduceerdtot een kwart van de oorspronkelijke 6000 N/mm2,ten gevolge van de scheuren. Na de analyse vanverschillende waarden voor de E-modulus in hetcomputermodel, bleken de resultaten bij eenE-modulus van 1500 N/mm2het beste aan tesluiten bij de waargenomen fenomenen, met namehet bezwijken van het binnenspouwblad. Daarnaastwerd aan de kracht (zoals ook al in model 2) in deonderste rij spouwankers een constante waarde van1,5 kN gegeven (fig. 9, pijlen 4). Bij een maximalebelasting van 1,98 kN/m (1,1 kN/m2x 1,8 m wand-breedte) overschrijdt het berekende buigendmoment in het midden van het binnenspouwbladhet theoretisch scheurmoment (0,94 kNm). Demomenten zijn praktisch constant over eenhoogte van 1000 tot 2200 mm (0,76 - 0,94 - 0,81 -0,73 kNm); daardoor zal de zwakste lintvoeg alseerste scheuren.Ten gevolge van het dynamische effect bij hetscheuren van de wand, zal de werkelijke kracht inde spouwankers de druksterkte van de ankers over-schrijden. Er kan worden geconcludeerd dat despouwankers in staat zijn de belasting te herverde-len.T e n s l o t t eTijdens de experimenten werden twee typen bezwijk-mechanisme waargenomen. Alle spouwmurenbezweken door het scheuren van het binnenspouw-blad. De scheur trad op in ??n voeg in het middenvan de wand. In de eerste proevenserie (AAC) bezwe-ken de spouwankers, terwijl in de andere serie (KZS)de spouwankers onbeschadigd bleven en het buiten-spouwblad hol ging staan.De vervormingsgrafieken van de proeven lieten eennagenoeg lineair gedrag van de spouwmuren zien totde eerste scheur, oftewel de maximale laterale belas-ting. Na de top nam het draagvermogen af tot eenbijna constante waarde. Voor de eerste scheurwerkten het binnen- en buitenspouwblad samen enondergingen dezelfde vervorming. Na de eerstescheur had het binnenspouwblad een grotere vervor-ming dan het buitenspouwblad.De maximale gemeten belasting was 0,95 - 1,2 kN/m2voor de AAC-spouwmuur en 1,6 - 1,9 kN/m2voor deKZS-spouwmuur. De stijfheid van een AAC-spouw-muur is 50% kleiner dan van een KZS-spouwmuur.De vereenvoudigde simulatie in MatrixFrame S3.0maakt duidelijk dat door het herverdelen van debelasting over de spouwankers, bij de AAC-spouw-muren, het binnenspouwblad bezwijkt, voordat despouwankers bezwijken.Voor het ontwikkelen van betrouwbare rekenmodel-len is het noodzakelijk om bijkomend experimenteelonderzoek te verrichten, waarbij alle materiaaleigen-schappen experimenteel worden bepaald. Tevens ishet wenselijk om de invloed van drukvereffening inde spouw te evalueren. nL i t e r a t u u r1. Bertram, G., en D.R.W. Martens, Meetrapport vandrie luchtbedproeven op cellenbeton-baksteenspouwmuren. TU Eindhoven, Eindhoven, 2004.2. Bertram, G. en D.R.W. Martens, Meetrapport vandrie luchtbedproeven op kalkzandsteen-baksteenspouwmuren. TU Eindhoven, Eindhoven, 2005.3. CUR Aanbeveling 71 ? Constructieve aspecten bijontwerp, berekening en detaillering van gevels inmetselwerk. CUR, Gouda, 2000.4. Pompeu Sandos, S. en D.R.W. Martens, Enclo-sure Masonry Wall Systems Worldwide, Chapter1. Taylor and Francis, 2006.5. Pluijm, R. van der, Out-of-plane bending ofmasonry; Behaviour and strength. ProefschriftTU Eindhoven, Eindhoven, 1999.6. Wijte, S.N.M., CUR Aanbeveling 71 ? Nieuwebenaderingswijze voor het ontwerpen van metsel-werkgevels. Cement 2000 nr. 4.7. Bertram, B. en D.R.W. Martens, Analyse-rapportvan brede spouwmuren onder laterale belasting.TU Eindhoven, Eindhoven, 2007.9 |Computermodellen