1 Prefab betonwanden met een profilering voor de SSK-mortelverbinding Mortelverbindingen voor prefab betonnen wandconstructies (1) Onderzoek naar het afschuifgedrag van ongewapende geprofileerde mortelvoegen 1 36?CEMENT?1 2025 Vanwege de thixotrope eigen- schappen van hedendaagse mortels is het mogelijk verticale voegen met een mortelpomp te vullen, zonder dat daar een tradi- tionele bekisting voor nodig is. Foto 2 laat zien hoe de mortel via een slang in de voegen wordt gedrukt. Bekende mortel- verbindingen worden gebruikelijk voorzien van wapening in de voegvulling (haarspel- den uit de wand en een verticale 'lockbar'). Het is echter niet aan te bevelen verticale voegen met voegwapening te vullen met een mortelpomp. Dan is de kans op luchtinslui- ting te groot. Dit is de reden dat er voor dit onderzoek ongewapende geprofileerde mor- telvoegen worden voorgesteld. Er moet ui- teraard rekening worden gehouden met de horizontale ontbondene (fig. 3a), die nu niet door de wapening kan worden opgenomen. Deze 'wijkende' kracht moet voor een wer- kende afschuifverbinding worden gecom- penseerd. Deze krachten kunnen via beide wandelementen en de trekbandwapening in de vloeren met elkaar in evenwicht worden gebracht (fig. 3b). Het is een bestaand con- cept dat onder meer wordt beschreven in fib bulletin 74 [1] en Steinle et al. [2]. Mortelverbindingen Figuur 4 toont de vijf verschillende verbin- dingen waarvoor het afschuifgedrag is on- derzocht. Het aansluitvlak heeft voor iedere verbinding een specifieke profilering en soms een opruwing. Verbinding Sp 1-x in figuur 4 laat zien dat afschuifkrachten (verticale pij- len langs de voeg) via diverse schuine druk- diagonalen in de mortelvulling van de ene zijde naar de andere worden doorgegeven. In de codering staat Sp voor 'Specimen', de 1 voor de eerste verbinding en de x voor het unieke nummer van een proefstuk. Elke verbinding is in staat 'positieve' en 'negatieve' afschuifkrachten door te geven. De schuine pijlen in verbinding Sp 2-x laten zien hoe de beide afschuifkrachten via drukdiagonalen worden doorgegeven. Mortelverbinding Sp 1-x wordt in de praktijk het meest toegepast en is daarom als eerste geselecteerd voor het onderzoekspro - gramma. Mortelverbinding Sp 2-x heeft de- zelfde inkepingen (shear keys), maar die DR.IR. DICK VAN KEULEN Adviseur Constructies Ingenieursstudio DCK auteur Verticale voegen tussen prefab betonwanden worden meestal gevuld met een voegmortel. Deze mortel dient als bouwkundige vulling en heeft verder geen constructieve functie. Krimparme cementgebonden voegmortels hebben echter hoogwaardige constructieve eigenschappen. Die kunnen worden benut door in de aansluitvlakken tussen beton en mortel een profilering aan te brengen. Hierdoor ontstaat een afschuifverbinding voor de overdracht van afschuifkrachten tussen wandelementen. In samenspraak met de prefab betonindustrie zijn een aantal geprofileerde aansluitvlakken voor verticale mortelverbindingen ontwikkeld. In het kader van een promotieonderzoek aan de TU Delft is het afschuifgedrag onderzocht. CEMENT 1 2025 ?37 zijn aan één zijde 100 mm verticaal verscho- ven. Deze variant heeft een iets steilere druk- diagonaal en daardoor mogelijk de potentie de afschuifkrachten efficiënter door te geven. Omdat deze verbinding in dit artikel nadruk - kelijk aan bod komt, wordt het de SSK-mor- telverbinding (Staggered Shear Key) genoemd. Mortelverbinding Sp 3-x met een 'ge- karteld profiel' heeft als doel het effect van meer shear keys over dezelfde hoogte te onderzoeken. Met mortelverbinding Sp 4-x is het effect van een opgeruwd aansluitvlak bij een toepassing met voegmortel in plaats van beton onderzocht met een 'uitgewassen betonoppervlak'. Ten slotte is gekozen voor mortelver- binding Sp 5-x met een 'kartelprofiel en uit- wassing', omdat een combinatie van een opgeruwd aansluitvlak en een profilering mogelijk een hoge afschuifcapaciteit en een aanzienlijke afschuifstijfheid zou kunnen leveren. Het is de vraag welke van deze verbindingen het beste kan worden toegepast als verticale mortelvoegverbinding in het concept met trekbandwapening in de vloeren. Afschuiftesten Het afschuifgedrag van de mortelverbindin- gen is vastgesteld met behulp van afschuif- testen aan de TU/e. Hiervoor zijn in totaal 33 proefstukken van het type push-off gemaakt en beproefd in de proefopstelling uit foto 5. Met dit type proefstuk worden verticale drukkrachten omgezet in afschuifkrachten op de verticale verbinding, zonder dat er sig- nificante buigende momenten in de voeg ontstaan. Het mechanisme van de push-off test is dat de opgelegde kracht de verbinding via afschuiven en zijdelings wijken uit elkaar probeert te duwen. Elk proefstuk bestaat uit twee L-vor- mige prefab betonelementen met daarin een profilering en/of uitwassing (foto 6), waar- tussen de mortelvulling is aangebracht. 2 Verticale voegen worden gevuld met mortelpomp TWEE ARTIKELEN OVER PROMOTIESTUDIE Dit is het eerste artikel in een tweeluik naar aanleiding van de promotiestudie van Dick van Keulen aan de TU Delft, faculteit Civiele Techniek en Geoweten- schappen, afdeling Engineering Struc- tures, sectie betonconstructies. De titel van het onderzoek: 'Narrow vertical mortar connections for precast con- crete shear walls'. De promotoren waren dr.ir. Dick Hordijk en prof.dr.ir. Max Hendriks. Het proefschrift is te down- loaden op https://repository.tudelft.nl. In dit eerste artikel wordt op hoofdlij- nen het onderzoek naar het afschuif- gedrag van een aantal geprofileerde mortelverbindingen beschreven. Het tweede artikel gaat in op de modelle- ring en toepassing van verdiepingshoge geprofileerde mortelverbindingen in prefab-betonnen stabiliteitsconstruc- ties. 2 38?CEMENT?1 2025 b trekbandwapening trekbandwapening wijkende kracht horizontale ontbondene a Sp 1-x Sp 2-x Sp 3-x Sp 4-x Sp 5-x 3x25 3x25 3x25252020 25 100 100 10° 100 100 14,6° 50 50 31,1° 100 100 3 Wijkende krachten veroorzaakt door horizontale ontbondene 4 De vijf onderzochte geprofileerde mortelverbindingen 5 Proefstuk in testopstelling?6 Geprofileerde en uitgewassen aansluitvlakken Het afschuif- gedrag wordt beïnvloed door de mate waarin de mortelvulling zijdelings is opgesloten 3 4 5 6 CEMENT 1 2025 ?39 trekbandwapening trekbandwapening a b c kolom trekbandwapening trekbandwapening trekbandwapening trekbandwapening 7 7 Mate van opsluiting (horizontale stijfheid) tussen prefab wandelementen Voor het zijdelings opsluiten van de mortel- vulling zijn steeds vier draadstangen rond- om het proefstuk gemonteerd. De afschuif- krachten werden via vijzeldruk bovenop het proefstuk vervormingsgestuurd aan de ver- binding opgelegd. Na iedere belastingstap zijn de verticale krachten vanuit de vijzel, de horizontale krachten in de draadstangen en de horizontale en verticale verplaatsingen gemeten. Horizontale stijfheid Het afschuifgedrag van een mortelverbin- ding wordt beïnvloed door de mate waarin de mortelvulling tussen de prefab beton- wanden zijdelings is opgesloten. Figuur 7 toont schematisch drie verdiepingshoge mortelverbindingen waarin dat zichtbaar wordt. In elk van de getekende situaties is de mate van opsluiting anders. In wandcon- structie (a) zullen de horizontale wijkende vervormingen vrijwel volledig afhankelijk zijn van de verlenging van de trekbandwa- pening in de (gescheurde) betonvloeren. Door raamopeningen in wandconstructie (b) ontstaan kolommen die bij dezelfde af- schuifkracht zijdelings meer vervormen. In het geval van een hoekverbinding (c) zijn, bij dezelfde afschuifkracht, de horizontale vervormingen het grootst. De zijdelingse afhankelijkheid is in het onderzoek gedefinieerd als de horizontale stijfheid k h , waarmee weerstand wordt gebo- den tegen wijkende krachten. Door draad- stangen met verschillende diameters rondom de proefstukken aan te brengen, is het moge - lijk verschillende horizontale stijfheden op de mortelverbindingen te simuleren. Voor de in figuur 7 getekende situaties zijn de horizon - tale stijfheden met eenvoudige analytische modellen berekend. Het bleek dat deze stijf - heden in de proefstukken konden worden gesimuleerd met drie sets van vier draad - stangen met diameters Ø16 mm, Ø24 mm en Ø38 mm. Hiermee is onderzocht wat het effect is van de horizontale stijfheid op het afschuifgedrag van de mortelverbindingen. Onderzoeksvariabelen Het effect dat de 'vorm van de profilering' en de 'horizontale stijfheid' hebben op het afschuifgedrag, zijn twee voor dit artikel ge- selecteerde onderzoeksvariabelen. Voor meer informatie over de werking van 'vezel- mortel' en 'zijdelingse voordruk' wordt ver- wezen naar het proefschift. Afschuifgedrag?Figuur 8 toont foto's van een SSK-mortelverbinding (Sp 2-4) tijdens het uitvoeren van de afschuiftest. Ze zijn genomen op het moment dat de in de foto aangegeven afschuifkrachten (kN) via de verbinding worden doorgegeven. De relatie tussen de afschuifkrachten V F en de afschuif- vervormingen ? v is uitgezet in de grafiek van figuur 9. De proefneming start in punt A van de grafiek. In de fase tot punt B zijn visueel geen veranderingen op het proefstukopper- vlak waargenomen. In deze fase worden de afschuifkrachten gelijkmatig verdeeld over de hoogte van de verbinding doorgegeven, zoals schematisch weergegeven in figuur 10A. Dit is mogelijk omdat de afschuifkrachten via de hechting tussen het prefab beton en de mortel kunnen worden overgedragen. 40?CEMENT?1 2025 0 kN 75 kN 420 kN 560 kN 340 kN B: Onthechten aansluitvlakken (75 kN) C: Diagonale scheuren (420 kN) D: Bezwijkscheur (560 kN) A E: Residuele afschuifcapaciteit (340 kN) C D EBA In punt B onthechten de aansluitvlakken. Dit gebeurt bij een vrij lage afschuifkracht (V F;B = 75 kN). Als gevolg van het onthechten worden de afschuifkrachten daarna vrijwel alleen nog via drie schuine drukdiagonalen doorgegeven (figuur 10B). Gedurende het verder opvoeren van de afschuifkracht ontstaan er bij punt C in de mortel en het prefab beton diagonale scheuren (V F;C = 420 kN). In de fase erna nemen de scheurwijdtes verder toe en ont- staan ook weer nieuwe scheuren. In punt D bezwijkt de verbinding om- dat drie met mortel gevulde inkassingen van de mortelvulling afscheuren (V F;D = 560 kN). Daardoor ontstaat een verticale afschuif- scheur. Vanwege het ruwe oppervlak in de scheur is de verbinding na bezwijken nog steeds in staat afschuifkrachten door te geven. Dat gebeurt bij een veel lagere residu- ele afschuifkracht (V F;E = 340 kN) in fase E. Behalve de afschuifkrachten en afschuifver- vormingen zijn ook de zijdelingse krachten en vervormingen gemeten. Door alle relaties in één gecombineerde grafiek van figuur 11 af te drukken, ontstaat een overzichtelijke weergave van het gemeten verbindingsge- drag. De grafiek toont de testresultaten van twee SSK-mortelverbindingen (Sp 2-1 en Sp 2-2). De mortelverbindingen in deze proefstukken zijn gelijk aan elkaar. Ze zijn beproefd met dezelfde draadstangen en zij- delingse voordruk. In het algemeen kan worden vastgesteld dat het verbindingsge- drag van de beide verbindingen ongeveer hetzelfde is. Ook kan worden waargenomen dat bij een toename van de afschuif- De vorm en ruwheid van de aansluitvlakken beïnvloeden het afschuifgedrag 8 Proefstuk 2-4 met SSK-mortelverbinding tijdens de afschuiftest, bij verschillende afschuifkrachten 9 Grafiek met meetresultaten van de SSK-mortelverbinding in proefstuk 2-4 10 Overdracht van afschuifkrachten via de SSK-mortelverbinding 8 9 10 CEMENT 1 2025 ?41 300 kN, 0,5 mm 52 kN, 0,82 mm krachten V F de afschuifvervormingen ? v , de zijdelingse krachten F? n;sum en zijdelingse vervormingen ?? n toenemen. Effect van de horizontale stijfheid Over het effect dat de horizontale stijfheid heeft op het afschuifgedrag van de SSK- mortelverbinding kan het volgende worden vastgesteld. Voor elke set horizontale draad- stangen met diameters 4Ø16, 4 Ø24 en 4Ø38, zijn steeds twee SSK-mortelverbindingen beproefd. De meetresultaten van deze proef- stukken zijn afgedrukt in de grafiek van figuur 12. Uit de relatie tussen de afschuifkracht V F en zijdelingse kracht F? n blijkt dat de ho- rizontale stijfheid de krachtsverdeling niet beïnvloedt. Dit is te begrijpen omdat de hel- lingshoek van een drukdiagonaal van een mortelverbinding met dezelfde profilering en afmetingen hetzelfde is. In de tweede plaats kan worden vast- gesteld dat met een verhoging van de hori- zontale stijfheid de afschuifstijfheid toe- neemt. Dit is af te lezen uit de helling van de relatie tussen de afschuifkracht V F en af- schuifvervorming ? v . Deze relaties laten ook zien dat de afschuifcapaciteit V F;U bij een verhoging van de horizontale stijfheid toe- neemt. Het derde is dat er een grote spreiding is voor de residuele afschuifcapaciteit na het bezwijken van de mortelverbindingen. Dit laat zien dat de ruwheid in de hoofdscheur van de mortelvulling meer invloed op de residuele afschuifcapaciteit heeft dan de horizontale stijfheid. In de laatste plaats blijkt uit de relatie tussen zijdelingse krachten F? n en vervor- mingen ?? n dat bij een hogere horizontale stijfheid de zijdelingse vervormingen kleiner zijn. Het is duidelijk dat dit komt door de af- hankelijkheid tussen de zijdelingse vervor- mingen en de stijfheden van de horizontale draadstangen. Effect van de profilering Het is te verwachten dat de vorm en ruw- heid van de aansluitvlakken tussen prefab beton en mortel het afschuifgedrag beïn- De SSK-mortel- verbinding geeft de afschuif- krachten op de meest effectieve manier door 11 Gecombineerde grafiek met gemeten krachten en vervormingen 11 42?CEMENT?1 2025 vloeden. Dit wordt beschouwd met behulp van de grafiek in figuur 13. Hierin zijn de relaties van vijf mortelverbindingen met verschillende combinaties van profielen en opruwing afgedrukt. Ze zijn allemaal be- proefd met draadstangen 4Ø38. Behalve de vorm en de ruwheid zijn deze vijf verbindin- gen dus gelijk aan elkaar. Uit de meetresultaten blijkt dat de aan- sluitvlakken tussen mortel en prefab beton bij verbindingen Sp1-3, Sp 2-5 en Sp 2-6 bij lage afschuifkrachten V F vrijwel direct ont- hechten. Dit gebeurt omdat de aansluitvlak- ken niet zijn voorzien van een opruwing of profilering om de hechting te verbeteren. Bij de andere verbindingen Sp 3-9 en Sp 4-3 vond onthechten plaats bij een hogere af- schuifkracht V F . Bij Sp 4-3 heeft de verbin- ding ook gelijk de afschuifcapaciteit V F;U = 177 kN bereikt. Er volgt daarna alleen nog een fase met een lagere residuele afschuif- capaciteit. Bij verbinding Sp 5-6 is geen onthechten waargenomen. Er is wel een terugval zichtbaar bij V F = 260 kN, maar die ontstaat door het ontstaan van diagonale scheuren in de mortelvulling. Bij de andere verbindingen ontstaan de eerste scheuren in de mortel en het prefab beton bij V F = 380 kN (Sp 1-3), V F = 401/505 kN (Sp 2-5/2-6) en V F = 187 kN (Sp 3-9). Tijdens het verder toenemen van de afschuifkracht ontstonden nieuwe scheuren en werd de bestaande scheurwijdten groter. De uiterst opneembare afschuifkracht is gedefinieerd als de afschuifcapaciteit V F;U . De eerste drie verbindingen bezwijken door- dat de met mortel gevulde inkassingen van de mortelvulling afscheuren. Dit is een ver- ticale hoofdscheur waarvan het principe is getekend in figuur 10D/E. Bij verbinding Sp 5-6 ontstond eveneens een min of meer verticale hoofdscheur. Die begint in het aan- sluitvlak tussen prefab beton en mortel en steekt vervolgens via de mortelvulling over naar het andere aansluitvlak. 12 Effect van de horizontale stijfheid 12 CEMENT 1 2025 ?43 Beoordeling van de mortelverbindingen Het is de vraag welke van de voorgestelde ver- ticale mortelverbinding het meest geschikt is. Dit wordt bepaald door het afschuifgedrag van de verschillende verbindingen onder- ling te vergelijken. De testresultaten in de grafiek van figuur 13 zijn exemplarisch voor de vijf verbindingen. De verbindingen Sp 3-9, Sp 4-3 en Sp 5-6 leveren in deze grafiek initi- eel een hoge afschuifstijfheid als gevolg van de adhesieve hechting tussen prefab beton en mortel. De gevoeligheid voor onthechten is echter een bedreiging. De mortelvulling zal krimpen. Zettingen, die in een prefab be- tonconstructie altijd aanwezig zijn, kunnen ook een ongewenste horizontale wijking aan de mortelverbinding opleggen. Daarom moet worden vastgesteld dat de gemeten initiële afschuifstijfheid niet kan worden benut. Het betekent ook dat de mortelver- binding zonder profilering (Sp 4-x) niet kan worden gebruikt voor een verticale toepas- sing. Deze verbinding daarmee valt af. Omdat de afschuifstijfheid een belangrijke constructieve eigenschap voor de toepassing van een mortelverbinding is, zijn in tabel 1 de gemeten secant stijfheden afgedrukt. Op- merkelijk is dat de waarden van de gekartel- de verbinding (Sp 3-x) bij de lagere horizon- tale stijfheden (draadstangen 4Ø16 en 4Ø24) lager zijn dan bij de andere verbindingen. Deze liggen tussen de 166-350 kN/mm. Voor de 4Ø38 draadstangen was de secant stijf- heid van deze verbinding vergelijkbaar met de anderen. Deze stijfheden liggen tussen de 400-900 kN/mm. Hieruit kan worden ge- concludeerd dat de gekartelde verbinding (Sp 3-x) minder geschikt is als verticale mortelverbinding. Voor de overige drie ver- bindingen kan op basis van de secant stijf- heid geen voorkeur worden uitgesproken. In de grafiek van figuur 14 zijn met punten de afschuifcapaciteiten V F;U van alle ver- bindingen uitgezet tegen de zijdelingse krachten F? n;sum . Aan elke groep resultaten is een lineaire trendlijn toegevoegd. Uitgangs- punt is dat de zijdelingse krachten zo klein mogelijk moeten zijn om de benodigde hori- zontale compensatie door de omliggende prefab betonconstructie te minimaliseren. De grafiek laat zien dat met de SSK-mortel- verbinding (Sp 2-x) bij lage zijdelingse krachten F? n;sum de hoogste afschuifcapaci- teiten V F;U levert. Deze verbinding presteert op dit uitgangspunt het beste. Het effect dat de horizontale stijfheid k h heeft op de afschuifcapaciteiten V F;U is eveneens bepalend voor een zo gunstig mo- gelijke inzet van een verticale mortelverbin- ding. In de grafiek van figuur 15 zijn de ge- meten waarden met punten tegen elkaar uitgezet. Er zijn opnieuw per verbinding trendlijnen aan toegevoegd. De verbinding presteert het beste wanneer het de hoogste afschuifcapaciteit biedt met een lage behoef- te aan horizontale stijfheid k h . De grafiek laat zien dat de hoogste afschuifcapaciteit wordt geleverd door de 'geprofileerde en opgeruwde' mortelverbinding (Sp 5-x). Een goede tweede is de SSK-mortelverbinding (Sp 2-x). Uit het laatste vergelijk blijken de goede prestaties van de 'geprofileerde en opgeruw- 13 Testresultaten van de vijf mortelverbindingen met verschillende aansluitvlakken LITERATUUR 1?fib bulletin 74 (2014). Planning and design handbook, Manual ? textbook, fib bulletin 74. International Federation for Structural Concrete. 2?Steinle et al., Precast concrete structures. Ernst & Sohn, 2019. 3?Keulen, D.C. van, Narrow vertical mortar connections for precast concrete shear walls. Proefschrift Technische Universiteit Delft, 2023. 13 44?CEMENT?1 2025 de' mortelverbinding (Sp 5-x). Daarbij moet wel een kanttekening worden geplaatst. Ten eerste bleek dat de hoge afschuifcapacitei- ten alleen worden geleverd als de hoofd- scheur door de mortelvulling loopt. Bij proefstuk Sp 5-2 liep de hoofdscheur alleen door het aansluitvlak en dat gaf een signifi- cant lagere afschuifcapaciteit (fig. 15). Er kan helaas niet worden gegarandeerd dat de hoofdscheur altijd door de mortel loopt. Bo- vendien is het alleen met nauwkeurig wer- ken mogelijk een reproduceerbaar ruw be- tonoppervlak te maken. Die nauwkeurigheid is bij de meeste betonfabrieken niet zonder- meer beschikbaar. Het derde is dat bij deze verbinding de zichtbare scheuren bij relatief lage afschuifkrachten ontstaan. Hoewel de mortel mag scheuren, is het toch beter dat de eerste scheuren pas bij een hogere af- schuifkracht ontstaan. Geconcludeerd kan worden dat deze verbinding ondanks de hoge afschuifcapaciteiten V F;U bij lage hori- zontale stijfheden k h minder aantrekkelijk is voor toepassing in de praktijk. Conclusies Er kan worden geconcludeerd dat de SSK-mortelverbinding (Sp 2-x) de afschuif- krachten op de meest effectieve manier doorgeeft. De verbinding levert hoge af- schuifcapaciteiten voor relatief lage zijde- lingse krachten en horizontale stijfheden. Ook blijkt dat de secant afschuifstijfheid niet minder is dan die van de overige verbindin- gen. Uit het onderzoek blijkt dat van de vijf onderzochte verbindingen, de SSK-mortel- verbinding de meest geschikte verticale mortelverbinding is. In het tweede artikel wordt de werking van deze verbinding na- der bestudeerd, het voorzien van een model- leringsmethode en een case studie uitgewerkt voor toepassing tussen verdiepingshoge prefab betonnen wandelementen.?14 Relaties tussen afschuifcapaciteiten V F;U en zijdelingse krachten F ?n;sum 15 Relaties tussen afschuifcapaciteiten V F;U en horizontale stijfheid k h Tabel 1?Secant afschuifstijfheden proefstuk draadstang afschuifstijfheid [N/mm²] proefstuk draadstang afschuifstijfheid [N/mm²] 1-1 (M24) 420 3-1 (M16) 166 1-2 (M24) 451 3-2 (M16) 205 1-3 (M38) 626 3-3 (M16) 197 3-4 (M16) 204 2-1 (M16) 401 3-5 (M24) 264 2-2 (M16) 403 3-6 (M24) 350 2-3 (M24) 406 3-7 (M38) 530 2-4 (M24) 552 3-8 (M38) 645 2-5 (M38) 514 3-9 (M38) 910 2-6 (M38) 718 5-1 (M16) 388 2-9 (M24) 356 5-2 (M24) 464 5-3 (M38) 548 5-6 (M38) 908 14 15 CEMENT 1 2025 ?45