O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng en80 cement 2008 3Voor de ontwikkeling van denieuwe verbinding is uitvoerigonderzoek verricht naar het con-structief ontwerp en de bouw vande 101 m hoge woontoren Porthosin Winkelcentrum Woensel teEindhoven, uitgevoerd door Hurksbouwgroep. Hierbij is vooralgekeken naar het constructiefontwerp met bijbehorende bereke-ningen, het prefabricageproces inde fabriek en de uitvoering op debouwplaats. Uit dit vooronderzoekvolgden enkele aanknopingspun-ten voor verdere ontwikkeling vande verbinding in de verticale voeg.De woontoren haalt zijn stabili-teit uit een totaalconstructie vanbinnenwanden en wanden in degevel. Dit betekent dat alle prefabbetonnen wandelementen als ??ngeheel moeten samenwerken. Demate waarin de afzonderlijkewandelementen gaan samenwer-ken is afhankelijk van de sterkteen de stijfheid van de verbinding.Om de constructieve eisen vast testellen is daarom onderzoekgedaan naar de invloed van desterkte, stijfheid en plaatsing vande verbinding op het gedrag vande constructie als geheel. Infiguur 2 is globaal weergegevenwat het effect is van de afschuif-stijfheid van de verbinding op deuitbuiging aan de top van detoren en de spanningen onderinde constructie. De afschuifstijf-Deuvelverbinding tussenprefab stabiliteitswandenir. B. Geels, Ingenieursbureau Van de Laar*)prof.ir. C.S. Kleinman, TU Eindhoven, fac. BouwkundeDit artikel beschrijft het onderzoek en de ontwikkeling van een discrete verbin-ding tussen geprefabriceerde betonnen stabiliteitswanden. Het betreft hier deverbinding in de verticale voeg die ervoor moet zorgen dat verschillendewandelementen gaan samenwerken als ??n geheel. Deze verbinding wordtdaarbij voornamelijk belast op afschuifkrachten. De afschuifsterkte en deafschuifstijfheid van de verbinding zijn daarom bepalend voor het functione-ren ervan. Daarnaast is de krachtsinleiding van verbinding naar prefab-betonwand een belangrijk aandachtspunt. Uitgangspunt bij de ontwikkelingwas een eenvoudige en weinig arbeidsintensieve verbinding die bovendiendemontabel moest zijn.1H12211Keq eq= Keq 0,5 N/mm3ishet gedrag van de constructienagenoeg constant en redelijk ver-gelijkbaar met een monoliete con-structie. Voor waarden van Keq 0,05 N/mm?. Maarbij deze waarde zorgen kleine ver-schillen in de afschuifstijfheidvoor grote verschillen in hetgedrag van de constructie. Omeen veilige en voldoende betrouw-bare constructie te verkrijgen iseen veilige minimale waarde0,250,20,150,10,050uitbuiging aan de topKeq-waarde (N/mm3)uitbiging(m)0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10501001502002503003504004500 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32k = 0,001 k = 0,1k = 0,5 k = 1k = 4 k = 300verdiepingafschuifkrachtperverdieping(kN)afschuifkrachten in de verticale voeg 2k = 0,44 |Afschuifkracht per ver-dieping in verticale voegbij verschillende waar-den van afschuifstijfheid3 |Uitbuiging aan top vantoren uitgezet tegenafschuifstijfheid in verti-cale voegO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng en82 cement 2008 3gesteld op Keq= 0,2 N/mm?.De vervorming in de verticalevoeg ten gevolge van afschuivenin verticale richting mag niet tegroot worden. Omdat scheurvor-ming in de wandafwerking moetworden voorkomen, is de grens-waarde voor de vervorming in ver-ticale richting geschat op ongeveer1,0 mm. Ook wat dit betreft magde afschuifstijfheid niet kleinerworden dan Keq= 0,2 N/mm?.Ook de vloerconstructie draagt bijaan de afschuifcapaciteit van deconstructie. Omdat de vloer nietop dwarskrachten is berekend,moet de verhouding in afschuif-stijfheid van de vloerconstructieen verbinding zodanig wordengekozen dat niet de vloer de belas-ting gaat opnemen. De vloercon-structie kan zodanig worden gede-tailleerd dat deze nauwelijksschuifkrachten tussen de wandenoverbrengt.De krachten waarop de verbindingmoet worden gedimensioneerdzijn afhankelijk van de afschuif-stijfheid van de verbinding.Normaal wordt de verticale voegals volledig stijf beschouwd. Infiguur 4 staat de maximaal optre-dende afschuifkracht waarop danmoet worden gedimensioneerd,circa 425 kN bedraagt. Bij eenafschuifstijfheid van circa Keq=0,5 N/mm? bedraagt de maximaaloptredende afschuifkracht circa325 kN. Dit is een reductie vanbijna 24 %. Voor de detailleringvan de verbinding betekent dit eenenorm verschil.Secundaire eisenBehalve aan sterkte en stijfheidmoet de verbinding aan de vol-gende eigenschappen voldoen:demontabel, eenvoudig te monte-ren, eenvoudig te prefabriceren,eenvoudig te transporteren, vol-doende maattolerantie, metandere functies te integreren, ver-schillende configuraties mogelijkin zowel de plattegrond als in hetverticale vlak, esthetisch accepta-bel wat betreft het interieur en hetexterieur.DeuvelverbindingHet ontwerpproces leidde uitein-delijk tot een deuvelverbindingdoor middel van een stalen koker-profiel gevuld met beton. Hetprincipe van deze verbinding isdat aan de bovenzijde van dewandelementen het stalen koker-profiel wordt ingeklemd in de teverbinden wandelementen. Hetprofiel wordt met twee stekeindenper wandelement verankerd omeventuele horizontale trekkrach-ten op te kunnen nemen en omvoor de benodigde samenhang inde prefab constructie te zorgen.De opbouw van de verbinding iste zien in figuur 5 en 6. Hetkokerprofiel wordt over de stek-einden geschoven en komt terusten in een sparing aan debovenzijde van de wandelemen-ten. Door de vloerelementen teplaatsen wordt de sparing aan debinnenzijde dichtgezet en kan desparing rondom het staalprofielworden aangestort en daarmeeook het profiel gevuld. Dit proceskan tegelijkertijd plaatshebbenmet het aanstorten van de overigevloersparingen. Hierna verloopthet proces zoals gebruikelijk: debovenliggende wandelementenworden over de stekeindengeschoven, de horizontale voegwordt aangegoten en de gainsgevuld. De wanden zijn op dezemanier verticaal en horizontaaldoorgekoppeld.Het demontabel maken van deverbinding is alleen op conceptu-eel niveau uitgewerkt. Doorrondom de stekeinden elementenaan te brengen van een bros mate-riaal (de rode elementen in dedoorsnede), kunnen deze elemen-ten aan het einde van de levens-duur van de woontoren bijvoor-beeld met een boorhamer wordenverwijderd. De stekeinden zijndan bereikbaar en kunnen vervol-gens met een snijbrander wordendoorgebrand. De wandelementenzijn dan constructief losgekoppelden kunnen element na elementworden verwijderd.D i m e n s i o n e r i n gBij de dimensionering en toetsingvan de verbinding zijn drie hoofd-zaken bekeken.DeuvelAls eerste moet worden bepaald ofde deuvel in staat is de krachtenover te brengen en welke dimen-sies daarbij horen. De deuvelwordt hoofdzakelijk belast op eenafschuifkracht in combinatie meteen buigend moment. Er isweinig bekend over hoe eenkokerprofiel, gevuld met beton,zich precies gedraagt wanneer hethoofdzakelijk op afschuivingwordt belast. Een dergelijk samen-gesteld profiel wordt wel regelma-tig als kolom toegepast, belast op5 |Verticale doorsnede terplaatse van verbinding6 |Aanzicht ter plaatse vanverbindingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng encement 2008 3 83een normaalkracht eventueel incombinatie met een buigendmoment.In de regelgeving (bijv. Eurocode4, staal-betonconstructies) wordtwel aangegeven hoe een afschuif-kracht kan worden meegenomenin de berekening van de plastischedoorsnedecapaciteit van eensamengestelde doorsnede diehoofdzakelijk wordt belast op eennormaalkracht in combinatie meteen buigend moment. De capaci-teit van de doorsnede wordt danberekend door er vanuit te gaandat er in de doorsnede een volle-dig plastische spanningsverdelingoptreedt. Verder wordt aangeno-men dat het beton belast op trekzal scheuren en het aandeel ervanin de momentcapaciteit verwaar-loosbaar is. De invloed van eenafschuifkracht op de momentca-paciteit wordt hierin meegenomendoor in die delen van de profiel-doorsnede die effectief zijn bij hetopnemen van afschuifkrachten(het lijf) de spanning te reducerenvolgens een afgeleide formule vanhet vloeicriterium van Hubert-Hencky:fs;red =________fy;d2- 3 s2Om voor een samengestelde door-snede, die hoofdzakelijk wordtbelast op afschuiving in combina-tie met een buigend moment, deplastische doorsnedecapaciteit tebepalen, zijn de uitgangspuntenen de formules aangepast. Er isook uitgegaan van bovenstaandespanningsverdeling, maar nuwordt in de gehele doorsnede demaximaal opneembare buigspan-ning gereduceerd ten gevolge vande optredende schuifspanning.Daarnaast wordt het aandeel vande betondoorsnede in de afschuif-capaciteit meegenomen. De nor-maalkracht is geheel buitenbeschouwing gelaten. Vervolgensis voor een kokerprofiel120x120x10 mm, gevuld metbeton, de plastische bezwijkcurvebepaald. Voor het bepalen van deplastische bezwijkcurve kan ookgebruik worden gemaakt van devolgende formule:Md___Mpl+(Vd___Vpl)2+(Nd___Npl)2 1,0Hierbij is de normaalkrachtbuiten beschouwing gelaten.Beide curven liggen dicht bijelkaar, maar deze laatste geeft demeest conservatieve waarden.BetonomgevingTen tweede is gekeken naar deplastische capaciteit van de beton-omgeving. Om deze capaciteit tebepalen is gebruikgemaakt vaneen berekeningsmethode op basisvan de beddingsconstante. Deingeklemde deuvel wordt gesche-matiseerd als een over de totaleingestorte lengte continu verendondersteunde ligger. De maximalespanningen in het beton tredenop aan de dagzijde (voegzijde) vande ingestorte deuvel. De verbin-ding heeft zijn maximale capaci-teit bereikt wanneer de maximaaltoelaatbare rek van beton isbereikt, uitgaande van het span-ning-rek-diagram uit de VBC(1,75 - 3,50).VerbindingTen derde is het van belang teweten wat de afschuifstijfheid vande verbinding is. Bovenstaanderekenmethoden voor het bepalenvan de capaciteit van de verbin-ding zijn niet geschikt voor hetbepalen van vervormingen endaarmee de afschuifstijfheid.Daarom is een eindige-elementen-model gemaakt van de deuvel ende betonomgeving (fig. 7). Hoewelhet gaat om de afschuifstijfheidbinnen het lineair-elastischegedrag van de verbinding, zal delineair-elastische capaciteit van hetomringende beton lokaal al gauwworden overschreden. Directonder het kokerprofiel aan de dag-zijde treden namelijk al bij relatieflage belastingen hoge piekspan-ningen op. Daardoor zal de mortelzich lokaal plastisch gaan gedra-gen. Dit heeft een aanzienlijkeinvloed op de vervorming, en dusde afschuifstijfheid, van de verbin-ding. In het model is daaromlokaal de elasticiteitsmodulus aan-gepast aan de ter plaatse optre-dende betonspanning volgens hetspanning-rekdiagram. Wanneer despanning boven de elastischegrens uitkomt, betekent dit dat hetbeton plastisch gaat vervormen.Door de elasticiteitsmodulus terplaatse te verlagen wordt dit effectmeegenomen in de berekening.P r o e fDe gebruikte rekenmethoden voorde dimensionering zijn gebaseerdop een vereenvoudigde schemati-sering van de werkelijkheid. Omer zeker van te zijn dat de verbin-ding ook in werkelijkheid voldoetaan de gestelde eisen is de verbin-ding beproefd in het Pieter vanMusschenbroeklaboratorium opde TU Eindhoven.De proefopstelling bestond uittwee L-vormige betonelementendie in elkaar haken en worden ver-bonden met de deuvel. Wanneerhet totale element in een druk-bank wordt samengedrukt, wordtde deuvelverbinding nagenoegalleen belast op een afschuivendekracht. Om de werkelijkheid goedte benaderen is de deuvelverbin-ding ook in een sparing aange-bracht en aangegoten.7 |Verticale spanningen ineindige-elementenmodel24,18 N/mm217,79 N/mm211,39 N/mm25,000 N/mm23,889 N/mm22,778 N/mm21,667 N/mm20,556 N/mm2-0,556 N/mm2-1,667 N/mm2-2,778 N/mm2-3,889 N/mm2-5,000 N/mm2-32,45 N/mm2-59,91 N/mm2-87,36 N/mm2Case: 1O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eVer bi ndi ng en84 cement 2008 3Foto 8 toont de proefopstelling.In figuur 9 is het belangrijksteresultaat van de proeven weergege-ven. Door de verticale verplaatsingvan de twee betonelementen tenopzichte van elkaar, ofwel de ver-vorming in de voeg, uit te zettentegen de afschuifkracht in de voeg,ontstaat een goed beeld van deafschuifstijfheid en afschuifcapaci-teit van de verbinding. Uit deproeven blijkt dat de deuvelverbin-ding met een kokerprofiel100x100x10 mm, die in beide beto-nelementen is ingestort over eenlengte van 200 mm, een afschuif-stijfheid heeft van Keq= 0,4 N/mm3en een afschuifcapaciteit van 333kN (rekenwaarde). Uit het compu-terrekenmodel van de woontorenPorthos blijkt dat bij deze afschuif-stijfheid de optredende afschuif-kracht in de verticale voeg maxi-maal 310 kN bedraagt (zie rode lijnin figuur 4). De verbinding voldoetdaarmee aan de benodigde eisen.Met behulp van het eindige-ele-mentenmodel is de afschuifstijf-heid tot op 17 % nauwkeurigbepaald. Ook voor de verbindingenmet enkele andere dimensies vanhet kokerprofiel is de afschuifstijf-heid bepaald. Uiteindelijk blijkt datmet dit verbindingstype eenafschuifstijfheid kan wordenbereikt die ligt tussen 0,25 en 0,75N/mm?. Dit gebied is met roodaangegeven in figuur 3.C o n c l u s i e s e na a n b e v e l i n g e nVoor dit type hoogbouw kan deverticale voegverbinding met deontworpen deuvelverbinding opti-maal worden gedimensioneerd.Door de afschuifstijfheid zo laagmogelijk te houden worden deafschuifkrachten sterk geredu-ceerd. Daarnaast is het voor watbetreft de uitvoering een zeer een-voudige en praktische verbinding.Voor een meer nauwkeurigebepaling van de afschuifstijfheiden de afschuifcapaciteit moetenaanvullende proeven wordengedaan. Hierbij moeten degevonden waarden worden verge-leken met de uitkomsten van derekenmodellen. Van het gedragvan een kokerprofiel gevuld metbeton, belast op hoofdzakelijkafschuiving in combinatie meteen moment, is nog niet veelbekend. Extra onderzoek kanhierin meer inzicht verschaffen.Het demontabel maken van deconstructie door tijdens demontage brosse elementenrondom de stekeinden aan tebrengen, is in dit project alleenop conceptueel niveau uitge-werkt. Er is meer praktischonderzoek nodig om dit conceptte optimaliseren. En omdat degehele prefab constructie alleendemontabel is wanneer ook devloerconstructie demontabel is,moet er ook een oplossing voorde vloerconstructie worden ont-wikkeld. n-500-450-400-350-300-250-200-150-100-500-5-4-3-2-10verplaatsing (mm)belasting(kN)8 |Proefopstelling9 |Proefresultaten