I MATERIALEN I I HSB STERK IN HET WERK (111 en slot) SUPERVLOEffiAAR BETON MET ZEER SNELLE STERKTE ONTWIKKELING GEEFT NIEUWE IMPULSEN AAN UTILITEITSBOUW ir.H.Ouwerkerk. NBM-Amstelland Utiliteitsbouw, Technologie & Ontwikkeling De ontwikkeling van hoge-sterkte-beton (HSB) was aanvankelijk gericht op het verkrijgen van een hoge eindsterkte en hoge duurzaamheid. De hoge eindsterkte wordt bij uitstek benut in draagconstructies voor hoogbouwprojecten. De hoge duurzaamheid, verkregen door een bijzonder hoge dichtheid, heeft geleid tot optimalisatie van maritieme constructies, vooral in de offshore oliewinning. De gedachte dat HSB voor de gewone utiliteitsbouw niet interessant zou zijn, is onjuist. De typische eigenschappen van HSB op het gebied van verwerkbaarheid en snelheid van sterkteontwikkeling bieden heel interessante perspectieven voor toepassing in de utiliteitsbouw. In deze laatste aflevering van de korte serie 'HSB - sterk in het werk' worden de mogelijkheden belicht. N aast de hoge sterkte en de duurzaamheid van HSB zijn er andere belangrijke eigen­ schappen die een grote invloed hebben op de verdere ontwikkeling van HSB bij in situ toepassing in de utiliteitsbouw. Het gaat hierbij om de eigenschappen verwerkbaarheid en snelle sterkteont­ wikkeling, die bij gietbouw van groot belang zijn. Bij de uitvoering van betonwerk is men gewend geraakt aan de omstandigheid dat de verwerkbaarheid omgekeerd evenredig is met de vereiste druksterkte: hoe hoger de betonsterkteklasse des te moeilijker is de betonspecie te verwer­ ken. Bij deze betonspecie is het tegen­ overgestelde van toepassing: de hoge sterkte gaat gepaard met een betonspe­ cie die als vloeibeton is te verwerken. De snelle sterkteontwikkeling is daar­ naast een eigenschap van HSB die nieu­ we perspectieven biedt om de bekisting in een zo kort mogelijke cyclus herhaald in te zetten. Hiermee ontstaan moge­ lijkheden om in de utiliteitsbouw met deze supervloeibare beton de gietbouw geheel nieuwe impulsen te geven. Met HSB kunnen nu sterkteklassen in situ worden gerealiseerd die voorheen uit­ sluitend in de prefabricage mogelijk waren. 16 Niet alleen de sterkteklasse, maar ook de bouwsnelheid maken dit nieuwe mate­ riaal tot een uitdaging voor construc­ teurs en uitvoerende bouw. Constructieve overwegingen Hoewel de utiliteitsbouw meer omvat dan alleen kantoorgebouwen, zal in dit artikel alleen deze categorie gebouwen aan de orde komen. De sterkte van beton is veelal de meest belangrijke eigenschap voor construc­ teurs. Immers de sterkteklasse van beton wordt uitgedrukt in de eenheid van druksterkte, de duurzaamheid in de vorm van een milieuklasse is daar pas la­ ter aan toegevoegd. In het algemeen worden de overige be­ toneigenschappen betreffende het draagvermogen en het vervormingsge­ drag gerelateerd aan de druksterkte, zo­ als de trek- en de afschuifsterkte, maar ook het krimp- en kruipgedrag en de elasticiteitsmodulus. De elasticiteitsmodulus blijkt niet even­ redig met de sterkte toe te nemen, zodat de stijfheid van de constructie vooral zal worden bepaald door de geometrie van de constructie. De eigenschappen krimp en kruip zijn meer bepaald door de be­ tonsamenstelling en de hoeveelheid wa­ ter. Uit onderzoek is gebleken dat ten opzichte van normaal beton geringere vervormingen zijn te verwachten. Bij het ontwerpen van betonconstruc­ ties dient minimaal te worden voldaan aan de eisen die worden gesteld aan sterkte, stijfheid, stabiliteit en duur­ zaamheid. Het vertalen van die eisen in een goede constructie vereist zowel ken­ nis van het materiaal als constructiefin­ zicht. De mogelijkheden van HSB in re­ latie met de constructie zullen hier in het kort worden aangegeven. Sterkte De toepassing van HSB in de utiliteits­ bouw was aanvankelijk vooral gericht op in hoofdzaak centrisch belaste ele­ menten, zoals kolommen en wanden in hoogbouw. Met de hoge sterkteklasse kunnen slankere kolommen en dunne­ re wanden worden gerealiseerd. De elasticiteitsmodulus en de beginexcen­ triciteitvan de normaalkracht zijn daar­ bij bepalend voor de knikzekerheid. Voor op buiging en dwarskracht belaste constructie-elementen zoals balken en vloeren, wordt de hoge druksterkte vooral benut in combinatie met voor­ spanning. Met betrekking tot de afschuifsterkte kan worden vermeld dat deze grootheid niet evenredig met de druksterkte toe- Cement 1993 nr. 6 neemt; het afschuif draagvermogen in het bezwijkstadium wordt bepaald door de aanwezige wapening die de dwars­ kracht door middel van deuvelwerking in de scheur opneemt. Stijfheid Bij op buiging belaste constructie-ele­ menten zoals vlakke plaatvloeren, wordt de dikte niet alleen door de sterk­ te bepaald, maar vooral ook door de toe­ laatbare doorbuiging. Het feit dat de elasticiteitsmodulus van HSB slechts een fractionele toename vertoont in verhouding tot de sterkte­ toename, betekent dat de stijfheid van op buiging belaste constructies nauwe­ lijks wordt verbeterd. Bij staalconstruc­ ties doet zich hetzelfde voor: staal is in vele sterktesoorten verkrijgbaar, de elas­ ticiteitsmodulus varieert echter mini­ maal en de stijfheid wordt vooral be­ paald door het traagheidsmoment, of­ wel de geometrie van de doorsnede. Indien men bij op buiging belaste be­ tonconstructies de grotere betondruk­ sterkte wil benutten en voldoende stijf­ heid wil handhaven, zullen de materia­ len naar de buitenste zones moeten wor­ den gebracht, zoals bij sandwich­ constructies en kokerliggers. Hiermee wordt naast effectief ook effi­ ciënt materiaalgebruik verkregen en daarmee wordt dan tevens een belang­ rijke gewichtsbesparing bereikt. Bij vlakke ter plaatse gestorte betonvloeren in kantoren bedraagt het eigen gewicht circa 60% van de totale vloerbelasting en is besparing op eigen gewicht (en dus ook op materiaal) een voorwaarde om toepassing van HSB economisch inte­ ressant te maken. Op grond van deze overwegingen zijn bij vlakke massieve pi aa tvl oeren slechts geringe voordelen te behalen met de ho­ ge sterkte. Oplossingen ter vergroting van de stijfheid van vloeren zullen dus gezocht moeten worden in materi­ aalbesparing en vergroting van de nutti­ ge hoogte, zoals bij ribben- en kasset­ tenvloeren. Stabiliteit Een gebouw zal voldoende stabiliteit moeten hebben om met name aan de windbelasting, maar ook aan excentri­ sche belastingen weerstand te kunnen bieden. Afhankelijk van de draagstruc­ tuur, de afmetingen/indeling van de plattegrond, de hoogte en de slankheid van een gebouw zullen maatregelen moeten worden getroffen om de stabili­ teit te verzekeren. Als de sterkte en stijf­ heid van het betonskelet onvoldoende blijken te zijn, dan worden speciale sta­ biliteitsconstructies aangebracht die Cement 1993 nr. 6 1 Bekisting en wapening proefWand kunnen bestaan uit verstijvingswanden, een stijve kern, stijve gevelvlakken of een combinatie hiervan. Bij de keuze van de stabiliteitscon­ structie moet ook de fundering in be­ schouwing worden genomen: immers de stijfheid van de ondergrond is mede bepalend voor de afmetingen van de sta­ biliteitsconstructie. Indien bij hoogbouw wordt gekozen voor het toepassen van dragende gevels, dan bestaat de mogelijkheid aan deze gevelvlakken ook de stabiliteit van het gehele gebouw te ontlenen. Dragende gevels in HSB In de kantorenbouw is door verkleining van de gevelopeningen een dragende gevel constructief mogelijk geworden. Aanvankelijk zijn een aantal kantoren gebouwd waarin de dragende gevels in situ zijn gestort. Hierbij kreeg men te maken met een aantal uitvoeringspro­ blemen die vooral betrekking hadden op de verwerkbaarheid van de beton­ specie. Ter plaatse van de borstweringen onder de raamsparingen is de bekisting slechts met veel moeite goed te vullen. Maar ook het ontkisten verliep niet al­ tijd probleemloos. De sterkte­ ontwikkeling van het beton in de rela­ tief dunne wanden verliep in de minder warme perioden te langzaam om de dag na het storten voldoende beginsterkte te bereiken, zodat de wandbekisting gedu­ rende enige dagen niet kon worden ge­ lost. Het nieuwe materiaal HSB biedt vooral voor dragende gevels geheel nieuwe mogelijkheden voor uitvoering in situ. Allereerst beantwoordt deze geheel nieuwe betonsterkteklasse aan de uit- voeringseisen betreffende de verwerk­ baarheid en de aanvangssterkte. De gro­ te plasticiteit van de betonspecie maakt het mogelijk ook de moeilijk bereikbare delen in de bekisting volledig te vullen, ook in geval van een grote wapenings­ dichtheid. Door het hoge cementge­ halte en de lage water-cementfactor wordt een snelle sterkteontwikkeling bereikt, zodanig dat het mogelijk is een g~velwand na 16 uur verharding te ont­ kisten. Op basis van deze uitgangspunten is in opdrachtvandeSPOBdoorNBM-Am­ stelland een onderzoek verricht naar een uitvoeringsmethode met een gevel­ wandbekisting voor een standaard-kan­ toorgebouw bestaande uit twee vleugels van 12,60 x 28,80 m2 ? Uit dit onderzoek is gebleken dat een verdieping in een cy­ clustijd van vier dagen kan worden ge­ realiseerd. Van deze dragende gevels is een begro­ ting gemaakt waaruit bleek dat ondanks de hogere materiaalkosten, de kosten per m 2 van in situ vervaardigde gevel­ wanden in vergelijking met prefab be­ ton, concurrerend zijn en dat toepassing van HSB nieuwe mogelijkheden in de kantorenbouw biedt. De volgende besparingen zijn mogelijk door toepassing van HSB: -door gebruik te maken van de hoge sterkte kan slanker worden gecon­ strueerd, dit zal een zekere mate­ riaalbesparing opleveren; - de gevel kan tevens de stabiliteit van het gebouw verzekeren; de verticale schachten vervullen uitsluitend een transportfunctie en kunnen op een­ voudige wijze zijdelings naar de ver­ diepingen worden doorverbonden, 17 I MATERIALEN ! «00 ! ~~. __ ~12~O~O ______ ~~60~O __ ~ __________ ~2=OO~0 __________ -+1~30~0-+! 5';'2 ~108-2:!J( doon:nede B-B 1-. ..~.-bgl .e...:29.9t---I 1---1- b.gl 8-200 1 ----I I 221.0_ I I 208 - ---- 208 2';'0 1/ ~ V c.... ... _. 0+-- i-- t~ 0 0 0 ,n :!J :!J - N I-- I I I l~ "/ ~ g :g ]' NN N N NN t;;;:t;;;: r;:r;: t;;;:t;;;: o 0 Ir) tJ:) -- /' "' u, 11- ~ ._SJ!'d 08-200 spld 08-200 I / ~ I ~ 208 ,1, I I ~ " 'I 2~8 'I' I I I I 2';'0 U .. I U I ~ ~0~ __ ~12=OO~ ____ ~~6~0~0 __ +- __________ ~20=00~ ________ -4!~3~ 4400 ! aanzicht wand spld 08-150 T 1 /'/ 0 !':> -- ........... _--+-~~'"' / ~ I / .~ ~ ~- .~[~ -- //// T ,/ ~ ___ -/: SP~ld~~~8_-1=5~0 ____ ~jl.----------------~ ~r_"==================~I~I~========~ -I- -I- bovenaanzicht vloerplaat 18 o ;() '0 o o 0 ro ~ o o 0) I ~t :2 0 0 0 '0 ~ Cement 1993 nr. 6 zonder beperkingen voortkomend uit de eisen die aan een constructieve kern worden gesteld; - als gevolg van de hoge aanvangssterkte kan de bekisting in een dagcycl us wor­ den ingezet, met als voordelen een grote bouwsnelheid -dus minder bouwplaatskosten -maar ook een ef­ ficiënter gebruik van de bekisting; - de verwerking van HSB kan zonder verdichting met trilnaalden plaats­ hebben; toepassing van deze vloeibe­ ton betekent een besparing op de stortploeg van één man. '9 2010 sterkteontwikkeling in verband met het tijdstip van ontkisten. Bij de uitvoering van de proefwand is gebruik gemaakt van een stalen wand­ bekisting. De afmetingen van de wand, alsmede de wapening zijn weergegeven in foto 1 en figuur 2; betonsterkteklasse B 95, consistentiegebied 4, portlandce­ ment klasse C, dekking 20 mm, staal­ soort FeB 500. De proefopstelling was gesitueerd in Utrecht nabij de betoncentrale BEFU, die het beton heeft geleverd gelijktijdig bol .R-200 c-2~8_ - ~IL 2010 2010 s r---3-'ld .8-200 2.8 r-----S.['L ? 8-150# spld .8-200 2010 +- ____ ~11~70~ ____ _F116=0~1----~11:'~O------+ 2500 doorn ede A-A I 2 Mtnetingen proefWand in HSB Naast deze besparingen biedt een mo­ noliete gevelwand tevens verschillende vormgevende mogelijkheden zoals asymmetrische raamindelingen, uitkra - gingen en doorbrekingen in de gevel ten behoeve van architectonische elemen­ ten, zoals bijvoorbeeld de vormgeving van de entree. Proefwand Naar aanleiding van bovenstaand on­ derzoek heeft de SPOB besloten tot het opzetten van een proefopstelling voor het in situ storten van een wandelement, zoals dit in een dragende gevel kan voor­ komen. Het doel hiervan was het toet­ sen van de uitvoeringstechniek ten aan­ zien van de wandbekisting, het storten met de pomp in een dunne wand en de Cement 1993 nr. 6 met de proevenserie beschreven in Ce­ ment 1993, nr. 3 en 4. De hoge plasticiteit van de betonspecie stelt hoge eisen aan de bekisting. De spe­ ciedruk van het vloeibeton zal nauwe­ lijks afwijken van hydrostatisch druk­ verloop over de wandhoogte. De bekis­ ting was voorzien van een middencen­ tering, opdat vervormingen ten gevolge van de horizontale speciedruk mini­ maal zouden zijn, hetgeen ter plaatse van de raamsparingen en kopschotten van groot belang werd geacht. Tevens is grote aandacht besteed aan de vloeistofdichtheid van de naden ter plaatse van vloer en ter plaatse van de sparingen door middel van extra center­ pennen. Storten met de pomp Bij het storten is gebruik gemaakt van een truckmixer die was voorzien van een betonpomp. Vanwege de geringe wanddikte van 160 mm en een dekking van 20 mm was een dunne stortbuis van 70 mm vereist om deze tussen de wape­ ning te kunnen laten zakken. De grote plasticiteit en mengselstabiliteit van de betonspecie maakten het mogelijk een wand van 5 m lengte in slechts 10 minu­ ten te storten, zonder gebruik te maken van verdichtingsapparatuur. Vérwerkingsduur Omdat de betoncentrale bij de proefop­ stelling op zichtbare afstand aanwezig was, speelde het verloop van de zetmaat in de tijd bij deze proef geen rol. In het algemeen zal de betonspecie gedurende een bepaalde tijd, gerekend vanaf de be­ toncentrale en met inachtneming van de transportduur en de afwerking, goed verwerkbaar moeten blijven. Dit is een belangrijk gegeven voor de betoncen­ trale bij het bepalen van de dosering van de hulpstoffen. Tijdens de proef zijn metingen van de zetmaat verricht, waaruit blijkt dat bij een temperatuur van circa 25°C de ver­ werkbaarheid een gelijkmatige afname vertoont. De zetmaat liep binnen een uur van circa 250 mm terug tot 200 mm, een geringe afname gezien de relatief hoge omgevingstemperatuur . Vérharding De ontwikkeling van de druksterkte is van groot belang in verband met de eis dat binnen 16 uur na het storten van de wand ontkist moet kunnen worden. Omdat met name de relatief dunne pe­ nanten voldoende sterkte moesten heb­ ben ontwikkeld om de bekisting van de raamsparin~en probleemloos te kun­ nen lossen (foto 3), is de gewenste sterkte na 16 uur vastgesteld op circa 15 N/mm 2 ? Aan deze eis kon goed worden voldaan, zoals uit figuur 4 blijkt. Tevens is hier het verschil te zien met B 35: er is minimaal drie dagen nodig om de ge­ wenste ontkistingssterkte te bereiken. Onderzoekproject In het kader van het technologie­ programma 'Materiaaltechnologie' van het Ministerie van Economische Zaken is aan NBM -Amstelland Utiliteitsbouw een subsidie toegekend voor een onder­ zoekproj eet naar de toepassing van HSB in een kantoorgebouw met circa 2500 m2 vloeroppervlak. De uitvoering van de proefwand is hiervoor de feitelijke aanzet. Het vervolg heeft plaats bij de realisering van een kantoorgebouw dat begin 1994 in uitvoering komt. In dit 19 I MATERIALEN 3 ProefWand ontkist 140 120 -0 B 105 100 ~ N E 80 E -.. z: Q) 60 ~ L -ti 40 ...>c: :::J L "D 1 2: / V- ( I ~ / o 5 --7 tijd (daqen) B 35 ...[] 10 15 20 25 30 4 Ontwikkeling van de karakteristieke kubusdruksterkte van B 35 en BlOS in de tijd project zal het samenspel tussen beton­ mortelcentrale en uitvoering in een aantal aspecten nader worden onder­ zocht, zowel ten aanzien van wanden als vloeren, zoals: - ontwikkeling wand- en vloerbekis­ ting; - transport en verwerking van beton­ specie; - stortmethode en nabehandeling; - sterkteontwikkeling versus ontkis- tingssterkte; - methode van uitvoering. Het project zal voor eind 1994 moeten worden voltooid. De ervaringen die hiermee in de praktijk zullen worden opgedaan, zijn van groot belang voor de ontwikkeling van HSB in de utiliteits­ bouw. 20 Ten slotte In de utiliteitsbouw is de meest toege­ paste in situ beton van de sterkteklasse B 25. Als HSB wordt beschouwd als de nieuwe generatie in situ beton met een karakteristieke betondruksterkte vanaf 75 N/mm 2 , dan is er dus sprake van een opwaardering met een factor vanaf 3, terwijl het prijsniveau in orde van grootte met een factor 2 wordt ver­ hoogd. Alleen op grond van de prijs/sterkte­ verhouding zou al onderzocht moeten worden hoe deze voordelen zijn te be­ nutten. Worden daarbij tevens de uit­ voeringsaspecten beschouwd zoals de verwerkbaarheid en de snelle sterkte­ ontwikkeling, dan biedt HSB nieuwe perspectieven voor de gietbouw in de utiliteitsbouw. Thans is de aandacht ge-richt op dragende gevels, maar ook in andere segmenten van de utiliteitsbouw zal HSB toepassing kunnen vinden. De ervaringen uit het onderzoekproject z?llen hier een bijdrage aan kunnen le­ veren. Cement 1993 nr. 6