themaKolomvoetplaatverbindingen6201044themaKolomvoetplaatverbindingenHet belang van hybride constructies en daarmee van verbindin-gen tussen staal en beton is groeiende. Mede om die reden is innovember 2009 het CUR/BmS-rapport 10 [2] uitgebracht metaanbevelingen voor kolomvoetplaatverbindingen. In dit artikelwordt een schets gegeven van de opzet en inhoud van datrapport en wordt ingegaan op diverse inconsistenties in devoorschriften, waarmee de auteurs werden geconfronteerd.1Aanbevelingen voor berekening volgens de EurocodesIn 2004 is in een artikel in Cement [1] gewezen op de verschil-len in benadering voor het ontwerp en de berekening van staal-betonverbindingen; deze zijn ontstaan door een gescheidenontwikkeling van de voorschriften voor beton- en staalcon-structies, zowel nationaal als internationaal. Een en ander isaanleiding geweest om met CUR/BmS-commissie C 168-1`Hybride verbindingen / Staal-beton' via een integrale benade-ring te komen tot eenduidige praktische en consistente bepalin-gen voor de berekening van hybride verbindingen.Verbindingen tussen staal en beton komen in vele verschijnings-vormen voor, maar in verreweg de meeste gevallen is er sprakevan een situatie dat een stalen profiel via een opgelaste plaat enankers aan het beton is verbonden. Om die reden lijkt een alge-mene set rekenregels voor staal-betonverbindingen voor de handKolomvoetplaatverbindingen 62010 45NEdMEdzThzI= ha? tfVEddpdrbpbrNEdMEd= e kolomvoetplaatuitvullaagankersbetonfundering2 33 Principe van een kolom-voetplaatverbindingte liggen. Toch is ervoor gekozen CUR/BmS-rapport 10 [2] tebeperken tot de berekening van alleen kolomvoetplaatverbindin-gen. Er bestaan overigens plannen om dit rapport later aan tevullen met regels voor andere staal-betonverbindingen.VoorschriftenDat de constructeur voor de berekening van een kolomvoet-plaatverbinding gebruik moet maken van verschillende voor-schriften, ligt voor de hand. Voor het staal- en betondeel zal hijzoeken in de respectievelijke staal- en betonnormen en speci-fiek voor de verankering via ankers in beton zijn de laatstedecennia diverse documenten beschikbaar gekomen, met inNederland CUR-Aanbeveling 25 [3]. Misschien wat zoekenvoor de constructeur, maar alles zou er toch moeten zijn. Maarhelaas: de praktijk wijst anders uit.Als de constructeur gebruikmaakt van de Eurocodes, vindt hijdat de relevante bepalingen voor het staaldeel verspreid in denorm staan, wat het hem niet gemakkelijk maakt. Verder wordtvoor het betondeel voor diverse zaken naar de betonnormverwezen, waar dat voor een aantal aspecten niet is uitgewerkt.Als hij vervolgens de `ankerdocumenten' erop naslaat, wordt hijgeconfronteerd met diverse inconsistenties. Kortom, iedereconstructeur moet zelf keuzes maken, terwijl hij de achtergron-den van de verschillende bepalingen veelal niet kent. In CUR/BmS-rapport 10 [2] zijn keuzes gemaakt en voorstellen gedaanvoor diverse witte vlekken in de normen. Deze zijn beoordeelden akkoord bevonden door de beton- en staaldeskundigen inde genoemde CUR/BmS-commissie C 168-1.Vanzelfsprekend is in [2] uitgegaan van de Europese normen.Voor staal en beton zijn dat respectievelijk Eurocode 3 (NEN-EN1993-1-8 [4]) en Eurocode 2 (NEN-EN1992-1-1 [5]). Voorverankeringen in beton betreft dat een set van zogenoemdeEuropese `Technical Specifications' [6]. Waarschijnlijk zullendeze Technical Specifications binnenkort als NVN-CEN/TS(Nederlandse Voornorm) een nationale implementatie krijgen.Daarvoor zal dan ook nog een Nationale Bijlage wordengemaakt. Naar verwachting zal op termijn de CUR-Aanbeve-ling 25 vervallen en zullen de genoemde Technical Specificati-ons (verkrijgbaar bij NEN) daarvoor in de plaats komen.Kolomvoetplaatverbinding versus`standaardankerverbinding'Ja, een kolomvoetplaatverbinding is inderdaad net zo goed eenankerverbinding als elke andere verbinding van een staalcon-structie aan beton door middel van ankers (fig. 3). Toch kanworden gesteld dat voor de diverse `ankerdocumenten' (o.a. [3]en [6]) een standaard kolomvoetplaatverbinding niet centraalheeft gestaan. Dit mag blijken uit het feit dat er in de ankerdocu-menten veel aandacht is voor een krachtsverdeling over deankers op basis van lineair elastisch gedrag, uitgaande van eenstijve voetplaat en dat er aan hoge drukspanningen in het betongeen aandacht wordt besteed. Terwijl bij kolomvoetplaten juistveelal sprake is van hoge drukspanningen, waarbij krachtsover-dracht zich concentreert onder het lijf en de flenzen (fig. 4), zoalsook al in een in 1941 uitgegeven handboek [7] is aangegeven.Ook uit de wijze waarop met afschuiving in de ankerdocumen-prof.ir. Jan StarkMaatschap Stark/TU Delft, faculteit CiTGprof.dr.ir. Dick HordijkAdviesbureau ir. J.G. Hageman BV/TU Eindhoven,faculteit Bouwkunde1 Kolomverbindingen bij de Flevocentralebron: Hollandia2 In november 2009 is het CUR/BmS-rapport10 uitgebracht met aanbevelingen voorkolomvoetplaatverbindingenthemaKolomvoetplaatverbindingen6201046twcc1 32fjdcFC,Rdc = tfyd3fjdOverdracht van de drukkrachtop het beton via de drukprent Bijkomende stuikbreedte czII= 0,5zI+ zTApr,flFCTweezT0,5zIbpzIIT + 0,5zINEd? MEd= 0T =zIIMEd? 0,5zINEdFC= NEd+ TT = 2Ft,EdAfhankelijk van de richting van NEden de excentriciteite = MEd/ NEdtreedt een van de volgende drie typenspanningsverdelingen op in het contactvlak:I ? Alleen druk als NEd 0 (druk) en e < 0,5zIII ? Een drukzone en een trekzoneIII- Alleen trek als NEd> 0 (trek) en e < zTNEdMEd45bracht als achteraf ingeboord. Kenmerkend voor de korte ankersis dat betonbezwijken, zoals het uitbreken van een betonkegel,ook het maatgevende mechanisme mag zijn. En omdat `betonke-gelbreuk' een relatief brosse vorm van bezwijken is, is toepassingvan de plasticiteitstheorie in dat geval niet mogelijk. In CEN/TS1992-4-1:2009 [6] is in Annex B wel ook een benadering op basisvan de plasticiteitstheorie gegeven.Bij kolomvoetplaatverbindingen zal de naar de betonnenfundering over te dragen belasting afhangen van de krachtsver-deling in de constructie waarvan het een onderdeel is. Diekrachtverdeling is afhankelijk van de stijfheid van de onderde-len van de constructie. Bij een raamwerk betreft dat de stijfheidvan de lijnvormige elementen, bestaande uit liggers en kolom-men. Maar ook de stijfheid van de verbindingen, inclusief dekolomvoetplaatverbindingen, be?nvloedt de krachtsverdeling.In de praktijk wordt er voor deze verbindingen van uitgegaandat ze ofwel scharnierend zijn ofwel volledig stijf. Als de voet-plaatverbinding wordt geschematiseerd als scharnier, is datvoor de constructie een veilige aanname. Dit geldt niet zondermeer voor de voetplaatverbinding zelf. De voetplaatverbindingwordt dan namelijk berekend als centrisch belast. Echter, bijeen normale uitvoering kan het kolomuiteinde niet vrij roterenen worden er door de kolom ook buigende momenten uitgeoe-fend. Als de verbinding zich taai gedraagt en voldoende rotatie-capaciteit bezit, is dit geen probleem. Dat is mede de reden datin CUR/BmS-rapport 10 [2] is gekozen voor een benadering opbasis van de plasticiteitstheorie. Overigens zijn in [2] ook regelsgegeven voor de berekening van de rotatiestijfheid en zijngrenswaarden gegeven voor de flexibiliteit van als stijf gesche-matiseerde verbindingen.ten is omgegaan, blijkt dat de kolomvoetplaatverbindingen nietals uitgangspunt zijn genomen. Kolomvoetplaatverbindingenworden standaard uitgevoerd met een uitvullaag onder de voet-plaat en voor de afdracht van afschuifkrachten naar het betonspeelt wrijving een belangrijke rol. Hoewel in [6] is aangegevendat ermee mag worden gerekend, is het in die rekenregelsverwaarloosd, omdat het moeilijk te kwantificeren zou zijn. In destaalnorm (EN1993-1-8 [4]) wordt w?l gerekend met een wrij-vingscomponent, die is gebaseerd op diverse experimenteleonderzoeken (o.a. [8]). Het moge duidelijk zijn dat een hogeafschuifcapaciteit, zoals gevonden in de proeven [8] en toegepastin de berekeningen [4], alleen kan worden bereikt als het betononder de voetplaat ook blijft functioneren. Oftewel, het isbelangrijk dat de juiste wapening is aangebracht, zodat bijvoor-beeld een vroegtijdig splijten van het beton bij een elementrandniet tot een lagere capaciteit leidt. En wat dat betreft, kan wordengesteld dat er eigenlijk nooit een goede aansluiting is geweesttussen de staal- en betonnormen en dat die er in de Eurocodese-rie ook nog niet is. Voor een aantal betongerelateerde aspecten isin EN1993-1-8 [4] verwezen naar EN1992-1-1 [2], waar debetreffende informatie niet te vinden is. Als het gaat omopnemen van afschuifkrachten in het beton, is er inmiddels in deTechnical Specifications [6] wel informatie opgenomen.Met CUR/BmS-rapport 10 [2] is geprobeerd tot een compacteset van rekenregels voor kolomvoetplaatverbindingen tekomen, waarbij gebruik is gemaakt van zowel de specifiekeervaring voor kolomvoetplaatverbindingen in de staalnormenals de laatste kennis vanuit de `ankerwereld'. Voor zover bij deauteurs bekend is, is deze aanpak in Europa uniek. Een Ameri-kaans document waar ook de specifiek voor kolomvoetplaat-verbindingen relevante informatie bij elkaar is gebracht, is [9].PlasticiteitstheorieAls gezegd, in de `verankeringswereld' is een benadering op basisvan de lineaire elasticiteitstheorie veelal uitgangspunt. Dat is ookniet zo vreemd, omdat de betreffende documenten zijn ontwik-keld voor wat bekend staat als `korte ankers', zowel vooraf aange-Kolomvoetplaatverbindingen 62010 47dpdr2dr1dahefhbabpbr2Ac,Nbr1T1,511,5121T21TKarakteristiek breukvlak bij betonkegelbreuk64 Meewerkend oppervlak onder voetplaat bij cen-trische druk5 Vereenvoudigde krachtsverdeling bij druk en bui-ging (Basisgeval B, type II)6 Principe voor de berekening van de trekcapaciteitvan twee`ankers met mechanische verankering'in de nabijheid van een betonrandVerankering in betonVoor verankeringen aan beton wordt soms gesproken overkorte en lange ankers [3]. Bij lange ankers gelden de regels dievan toepassing zijn voor verankering van betonstaal volgensEN1992-1-1 (`gewapend-betontechniek') en omdat daarbijsprake is van taai bezwijkgedrag (staal bezwijken altijd maatge-vend), past dat goed bij de plasticiteitstheorie. Dit leidt overi-gens tot relatief lange ankers (lengte veelal groter dan 20d).Betekent dit dat korte ankers ('bevestigingstechniek' en ook brosbetonbezwijken maatgevend) niet zijn toegestaan volgens [2]?Nee, ook korte ankers zijn toegestaan, mits de geschiktheidervan is aangetoond door middel van bijvoorbeeld een Euro-pese goedkeuring. Dat is mogelijk omdat het niet nodig werdgeacht in alle gevallen vast te blijven houden aan deplasticiteitseis. In analogie met de eisen voor minimale afme-tingen van lassen en berekening van hoekverbindingen in staal-constructies, is gesteld dat het niet nodig is aan de plasticiteit-seis te voldoen als de rekenwaarde voor de sterkte van betonbe-zwijken minimaal een factor 1,7 groter is dan de rekenwaardevan de optredende belasting.Bij kolomvoetplaatverbindingen veelvoorkomende verankerin-gen, die apart zijn benoemd in Eurocode 3 deel 1-8 [4], zijn hethaakanker en de draadstang met ankerplaat. Die zijn in [2] ookals uitgangspunt genomen, waarbij voor de berekening van hetveelal met gladstaal uitgevoerde haakanker een benaderingvolgens Eurocode 2 [5] en voor het draadeind met ankerplaateen benadering als voor ingestorte ankerbouten is gevolgd. In[2] is daarom voor het verschil in verankeringsprincipegekozen voor een onderscheid tussen `ankers op aanhechting'met een berekening van verankeringslengte conform EN1992-1-1 en `ankers met mechanische verankering', waarbij de effec-tieve diepte, hef, bepalend is voor de capaciteit conformCEN-TS1992-4-2 [6] (fig. 6).Splijten en afschuivingOnderdelen waarbij in [2] ook in belangrijke mate keuzesmoesten worden gemaakt, omdat daarvoor onvoldoendehouvast in de Europese normen aanwezig was, betreffenBasisgevallenVoor CUR/BmS-rapport 10 [2] is NEN-EN1993-1-8 [4] alsuitgangspunt genomen. De regels in deze Eurocode zijn gepre-senteerd op basis van de zogenoemde `componentenmethode'.Dat betekent dat de bepalingen niet per toepassing zijngegeven, maar per onderdeel (component) van een verbinding,dat in verschillende typen verbindingen kan voorkomen. Zoalseerder is aangegeven, moet de constructeur voor een bepaaldeverbinding zelf de van toepassing zijnde componenten in denorm bij elkaar zoeken. In [2] is juist een tegenovergesteldebenadering gekozen. Een aantal basisgevallen is gedefinieerd(fig. 5), waarvoor de rekenregels zijn aangegeven. De basisge-vallen vari?ren van een eenvoudige, alleen op centrische druk-kracht belaste voetplaatverbinding, waarbij randen van hetbetonelement niet spelen (basisgeval A1), tot een voetplaatver-binding, die op normaalkracht (trek of druk), buiging enafschuiving wordt belast en waarbij deze is geplaatst aan derand van een betonelement (basisgeval D2).In [2] zijn twee rekenvoorbeelden uitgewerkt, waarbij een kolomis geplaatst op een smalle betonbalk, een in de praktijk veelvoor-komende situatie. In de voorbeelden is ook sprake van een rela-tief hoge resulterende drukkracht die via verhoogde oplegspan-ningen in het beton wordt overgedragen. In dat verband kanworden opgemerkt dat met de komst van de Eurocode [5] demaximale verhoging van de oplegspanning ten opzichte van derekenwaarde voor de eenassige druksterkte gelijk is aan 3, daarwaar jarenlang in Nederland een factor 5 van toepassing was.themaKolomvoetplaatverbindingen6201048VEdFC,maxl1lb,net1212aanname vooruitbreekkegelApr,fl7 Principe voor opvangenafschuifkracht die bij een randvia wrijving wordt overgebrachtnaar het betonrespectievelijk de mechanismen splijten van het beton enopvangen van afschuifkrachten in het beton. Splijten is in dedelen van CEN/TS1992-4 [6] uitvoerig behandeld. Bedachtmoet echter worden dat daarbij ongewapend beton primair hetuitgangspunt is. Slechts in beperkte mate is aangegeven wat ditbetekent voor gewapend beton. Voor het opvangen vanafschuifkrachten uit ankerverbindingen (via wrijving en/of deankers) in beton geeft Eurocode 2 [5] vrijwel geen aanwijzin-gen. CEN/TS1992-4-1 geeft daarover w?l informatie, bijvoor-beeld hoe ophangwapening moet worden toegepast. Maar watte doen als een kolom op een smalle funderingsbalk staat, vergttoch wel weer speciale aandacht. In [2] is geprobeerd juist voordit soort praktijksituaties ook aanbevelingen te geven voor hetaanbrengen van de wapening (fig. 7).Tot besluitHet opstellen van CUR/BmS-rapport 10 [2] bleek niet slechtseen kwestie van het bij elkaar brengen van de relevante bepalin-gen uit de van toepassing zijnde Europese normen. Omdat opveel onderdelen arbitraire keuzes moesten worden gemaakt,vanwege inconsistenties in de normen en/of omissies, was hetsamenstellen geen eenvoudige taak. Om die reden wordt degebruiker van [2] aanbevolen de bepalingen zorgvuldig enkritisch toe te passen, en bij twijfel de achterliggende normente raadplegen. Overigens is in [2] ook in ruime mate achter-grondinformatie opgenomen.Stichting CUR en Bouwen met Staal stellen het op prijs op dehoogte te worden gesteld van ervaringen en mogelijke onjuist-heden, ter verbetering van een volgende uitgave. Inmiddels zijnenkele kleine onvolkomenheden bekend, waarvoor binnenkorteen erratum zal verschijnen. Literatuur1 Stark, J.W.B. & Hordijk, D.A., Hoe sterk is hetkoppel beton ? staal? Verschillen in bena-dering belemmeren vooralsnog optimaletoepassing. Cement 2004/6.2 CUR/BmS-rapport 10, Kolomvoetplaatver-bindingen; Aanbevelingen voor de bereke-ning volgens de Eurocodes (Eds. D.A.Hordijk en J.W.B. Stark). CURNET/Bouwenmet Staal, november 2009.3 CUR-Aanbeveling 25, Korte ankers inbeton; berekening en uitvoering. Tweede,herziene uitgave. CUR en Bouwen metStaal, juni 2000.4 NEN-EN 1993-1-8: Eurocode 3: Ontwerp enberekening van staalconstructies ? Deel1-8: Aanvullende regels voor verbindingen.5 NEN-EN 1992-1-1: Eurocode 2: Ontwerp enberekening van betonconstructies ? Deel1-1: Algemene regels en regels voorgebouwen.6 CEN/TS 1992-4-1 t.m. CEN/TS1992-4-5:2009, Design of Fastenings for Use inConcrete. Part 1: General, Part 2: HeadedFasteners, Part 3 Anchor channels; Part 4:Post-installed fasteners - mechanicalsystems, part 5 Post-installed fasteners ?chemical systems.7 Genderen Stort, E.A. van, Theorie en prak-tijk van den staalskeletbouw. Kluwer,Deventer 1941.8 Bouwman, L.P., Gresnigt, A.M. & Romeijn A.,Onderzoek naar de bevestiging van stalenvoetplaten aan funderingen van beton.Stevin rapport 25.6.89.05/c6, TechnischeUniversiteit Delft, februari 1989.9 Base plate and anchor rod design. Ameri-can Institute of Steel Construction Inc..Second Edition, mei 2006.7StudiemiddagOp 6 oktober 2010 zullen de auteurs, namens BmS, CUR en deBetonvereniging een studiemiddag/avond over het onderwerpverzorgen.