O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2004 2 83Door hun taps verlopende, hollebuisvorm vormen gemetseldeschoorstenen een bijna ideaal sa-menspel van vorm, functie en be-lasting. De stabiliteitscontrolesvan gemetselde schoorstenen envan dragende muren hebben eensterke overeenkomst. Met nume-riek integreren kan het verloopvan de druklijn over de hoogteworden bepaald. Het benuttings-diagram, onder meer afhankelijkvandeverhoudingwanddikte-dia-meter, dat eveneens via numeriekintegreren kan worden bepaald,vormt een hulpmiddel bij het be-oordelen van de standzekerheid.C o n s t r u c t i eFabrieksschoorstenen zijn inte-ressante gemetselde constructies(foto 1). Gemetselde schoorste-nen genoten vaak de voorkeur vanarchitecten omdat ze kondenworden gebouwd met stenen diebij de omgeving pasten. Het con-structieprincipe is eenvoudig,maar kent enkele bijzondere as-pecten. Goed uitgevoerde en on-derhouden schoorstenen gaanwel honderd jaar mee, bijvoor-beeld ??n in Boxtel die dateert van1850. Vooraanstaande firma'slieten hun fabrieksschoorstenennaar Engels voorbeeld op flam-boyante wijze decoreren met mo-tieven in gekleurde stenen en uit-gemetselde randen, en voorzienvan fraaie schoorsteenkoppen.O n d e r d e l e nEen gemetselde schoorsteenheeft doorgaans de volgende on-derdelen: fundering, sokkel,schacht, schutmantel en kop (fig.2, foto 3).De fundering begint vaak meerdan 2 m onder maaiveld en ismeestal een dikke (ronde) plaatmet een aanlegbreedte vanglobaal 1/7tot1/8van de totalehoogte. Deze forse maten werdengekozen om te voorkomen dat erin de fundering trek zou optre-den. Schoorstenen werden bijvoorkeur vrijstaand van anderegebouwen, diep gefundeerd.De sokkel, met een hoogte van 1/6tot 1/4deel van de schoorsteen-hoogte, werd vaak in een anderevorm dan de opgaande schachtgebouwd, en vaak rijk georna-menteerd. Er zijn niet alleenronde, maar ook vierkante enachthoekige uitvoeringen. In desokkel komt het rookkanaalbinnen en gaat het over van hori-zontaal naar verticaal. In desokkel zijn tevens openingen aan-gebracht voor het verwijderen vanas en roet. Naast deze openingenmoest voldoende metselwerkoverblijven en dat leidde soms totniet-ronde doorsneden.De schacht van hoge schoorstenenis praktisch altijd rond. Bij gelijkfrontaaloppervlakisdoordevloei-ender vorm de windbelastinglager dan bij een vierkante door-snede.Dediametervandeschoor-steenvarieerttussen1/6en1/10vande hoogte. De schoorsteen wordtnaar beneden toe (iets) wijder. Deschacht heeft een over de hoogtevari?rende dikte, in stappen vanongeveer 50 mm. Daarom ver-toont de opgaande lijn van de bui-Ontwerpen en dimensioneren van steenconstructies (18)Fabrieksschoorstenenir. A.T. Vermeltfoort, TU Eindhoven, faculteit BouwkundeDe schoorsteen was lange tijd het symbool van welvaart. Van de ruim 10 000bakstenen schoorstenen die in Nederland tussen 1880 en 1960 werdengebouwd, zijn er intussen nog maar 600 over. De stichting fabrieksschoorste-nen (STIF) zet zich in voor hun behoud [1]. Nieuwe schoorstenen worden nietmeer gemetseld, maar voor het behoud ervan is wel degelijk constructiefinzicht vereist. Dit artikel bespreekt - naast enkele renovatieaspecten - deonderdelen, kenmerken en stabiliteitscontrole van de bestaande gemetseldefabrieksschoorstenen.1 | Gemetselde schoorsteenop terrein TU EindhovenDitartikelkwamtotstandmettechnisch-inhoudelijkebijdragen van het bestuur van de stichting fabrieks-schoorstenen (STIF) en Harm Meijer Schoorsteen-bouw bv.koptrommelAschachtfundatieB2| Principedoorsnedeschoorsteen3 | Fraai bewerkte sokkelO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tiescement 2004 284tenkant van een schacht een zoge-noemde `valling', die gewoonlijkvarieert tussen 1:60 en 1:40. Delenwaarvan de dikte hetzelfde is,worden trommels genoemd.De meeste schoorstenen zijn omscheurvorming te voorkomen, in-gebonden met ijzeren banden diezijn voorzien van spansloten. Deafstand, ongeveer 1/2?1/3van deuitwendige diameter, was ondermeer afhankelijk van de tempera-tuur van de rookgassen en van dekans op scheuren.Klimijzerswerdenomdevier?vijflagen,zowelaandebinnen-alsaande buitenzijde aangebracht. Deijzers werden verticaal bovenelkaar geplaatst, bij voorkeur aandeloefzijdevandeschoorsteenomze enigszins tegen de rookgassente beschermen.Het onderste deel van een schoor-steen is meestal dubbelwandiguitgevoerd. De schutmantel be-schermt het dragende buitendeeltegen te hoge temperaturen entegen de vaak agressieve rookgas-sen en is vaak slechts 100 mm dik.De buitenmantel heeft onderaanopeningen waardoor relatief kou-de lucht wordt aangezogen via degeventileerde luchtspouw die aande bovenkant in verbinding staatmet het rookkanaal (fig. 4). Doordeze `valse trek' wordt de schut-mantel gekoeld. Ook koelen derookgassen minder snel af, waar-door de schoorsteen beter trekt.Bij de meeste bedrijven was hetvoldoende de schutmantel tot 1/4? 1/3van de schoorsteenhoogte opte trekken.De bovenste trommel werd vaakmaar 140 mm dik gemaakt. Dekop van de schoorsteen daarente-gen heeft meestal een verdikking.De be?indiging werd wat robuus-ter en regenwater werd ermee vanhet metselwerk afgevoerd. Aan detop heeft de regen vrij spel, derookgassen slaan vaak om de topenenigextragewichtverbeterthetdraagvermogen. In de top werdenwel eens staalkabels als wapeningopgenomen (fig. 5).M a t e r i a l e nVeel van de fabrieksschoorstenenin Nederland werden volgens eenvast patroon gemetseld. Aanvan-kelijk werden stenen met eenklein formaat gebruikt. De stoot-voegen konden dan smaller zijnen er was minder hakwerk. Ookkon de wanddikte geleidelijkerworden verminderd.Na de uitvinding van de streng-pers, omstreeks 1900, werdenradiaalstenen gebruikt. Dit steen-type met enigszins rond ver-lopende uiteinden en voorzienvan gaten werd speciaal voor hetbouwen van ronde schoorstenenontwikkeld. Met een keur aan af-metingen kon nagenoeg elkewanddikte worden gemaakt metversnijdingen van 50 tot 70 mm.De gangbare dikte van radiaalste-nen was 90 mm, de voegdikte10 mm. Door gebruik van stenenmet een andere kleur werden mo-tieven of namen in het metsel-werk aangebracht.Voor de sterkte en stijfheid van hetmetselwerk is vooral de gebruiktemetselspecie belangrijk in combi-natie met de verhouding tussensteen- en voegdikte. De stijfheid iskleiner als dunne stenen en tame-lijk dikke voegen worden toege-past in combinatie met kalk ofkalktrasmortel.Sirag[2]attendeertop de grotere stijfheid van port-landcementmortels en vermeldtverder dat de specie reeds volledigis verhard als de schoorsteen inwerking wordt gebracht. Kalkmor-tel is dan nog lang niet versteend,mede door de grote muurdikten.Oude fabrieksschoorsten, opge-trokken van drielingen in een tijdwaarin portlandcement nog geeningang had gevonden, waren in1923 blijkbaar in zeer gunstigeconditie [2, blz. 75].R e n o v a t i eZolang de schoorsteen in bedrijfwas, waren er weinig problemen,want de schoorsteen bleef droog.De roetlaag vormt een natuurlijkebescherming van het metselwerk.Een schoorsteen die uit bedrijfwordt genomen, raakt in verval.Door bezonning en regen wordthet metselwerk afwisselend droogen nat. Aan de kop en op hetwesten, overwegend de regen- enwindzijde, was de inwerking vanrookgas met zwavel uit olie- en ko-lenstook het ergste, waardoor hetmetselwerk daar het kwetsbaarsteis. Door zwavelinwerking vergipstde kalkmortel.Om schoorstenen te kunnen be-houden is het van groot belang hetinwendige metselwerk wederomingoedestaattebrengenentecon-serveren.Eerstwordenlossedelenpneumatisch verwijderd en wordthet metselwerk gereinigd en ge-neutraliseerd. Neutraliseren isnodig omdat er altijd oude mortelaanwezig blijft (onder meer in degaten van de geperforeerde radi-aalstenen). Daarna wordt weergevoegd met een zuur- en hitte-bestendige voegmortel.4 |Ventilatieopening tussenschutmantel en buiten-mantel (details A en Bvan fig. 2)5 | Details van de kop vaneen schoorsteenbibuventilatieventilatieschutmantelabO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2004 2 85Over het algemeen moet ook debuitenkant worden uitgekrabd enopnieuw gevoegd. Soms is demortel wel tot 150 mm diepteaangetast. Bij renovatie wordtgewerkt vanaf een uit bokken be-staande hangsteiger. Deze bok-ken worden op ongeveer 1,40 mh.o.h. met twee horizontale staal-draden aan de schoorsteen opge-hangen (foto 6).Schoorstenen worden krom dooraantasting van de mortel, maarvooral door het roesten van deklimijzers, waardoor de schoor-steenaan??nkantwordtopgetild.Ze worden recht gezet met in spa-ringen geplaatste vijzels, waar-mee het metselwerk daarbovenwordtopgetild.Daarnawordendevoegen schoongemaakt en ge-vuld. Na verharden van de vul-mortel worden de vijzels weerweggehaald en de sparingengedicht.Door hun hoogte zijn schoorste-nen aantrekkelijk voor het plaat-sen van antennes, maar dit is vaakeen bron van schade. Door hunuitstekende vorm wordt de wind-stroming rond de schoorsteenverstoord en ook is metselwerkniet goed bestand tegen de torsie-belasting die dan optreedt.B e r e k e n i n gKantelveiligheidEen schoorsteen is in principeeen in de fundering ingeklemdeholle buis die hoofdzakelijk doorwind wordt belast. De bereke-ning is te beschouwen als eencontrole op kantelen. De doorwind en scheefstand veroor-zaakte momenten worden tegen-gewerkt door het eigen gewicht.De resultante van de normaal-spanningen werkt met een ex-centriciteit e = M/N. Als hetmoment te groot is, zal deschoorsteen kantelen, ongeachtde sterkte van het metselwerk.Uiteraard dient e, met een zekereveiligheid ([3] stelt = 2,3)kleiner te zijn dan de buiten-straal.Normaalkrachten, momenten endruklijnOm het verloop van de normaal-krachten en momenten te be-palen, wordt de schoorsteen overde hoogte in moten verdeeld. Inhet verleden was dit om prakti-sche redenen een beperkt aantalmet dezelfde wanddikte. Meestalwaren dergelijke `trommels' 5 mlang [2, 3]. Door met een spread-sheetprogramma te werken, mo-gen de moten korter zijn, bijvoor-beeld 1 m (fig. 7).De normaalkracht in elke snede iseenvoudig te bepalen; de buiten-en binnenstraal (R en r) zijn eenfunctie van de hoogte. De wind-drukvarieertmetdehoogteenkanper snede uit NEN 6702, bijlage A,tabel 10, worden afgelezen. Dewindfactoren volgen uit dezelfdenorm, waarbij het gunstige effectvan de ronde doorsnede magworden meegenomen.Ter illustratie zijn in figuur 7 vooreen schoorsteen van 72 m hoogtede N- en M-verdeling tegen dehoogte uitgezet. Aan de top isR = 1,75 m en r = 1,53 m; aan devoet R = 2,81 en r = 1,82 m. De be-lastingsfactoren zijn gemaks-halve op 1 gesteld en verder isalleen de stuwdruk, zonder wind-factoren gebruikt. De stuwdruk-waarde 1,57 kN/m2aan de top(gebied II, onbebouwd) stemt na-genoeg overeen met de in [2] ge-bruikte waarde van 1,5 kN/m2.Met normaalkracht en moment isook het verloop van de druklijnbekend.Spanningsverdeling over een door-snedeBij de berekeningen van de span-ningsverdeling door de normaal-kracht en het moment wordt ver-ondersteld dat het metselwerkgeen trek kan opnemen. VerderwordtdehypothesevanBernoulli,vlakke doorsneden blijven vlak,gehanteerd.De spanningen in de onge-scheurde doorsnede kunnen wor-den bepaald uit: = N/A ? M ? z /I.De doorsnede scheurt als er trekoptreedt. De excentriciteit is danongeveer gelijk aan 1/9?1/10vande diameter, afhankelijk van dewanddikte.Voor een gescheurde doorsnedekunnen de resultante en de plaatservan worden bepaald door nu-meriek integreren. De ge-scheurde doorsnede wordt instroken verdeeld en per strookje6 |Hangsteiger807060504030201000 0,5 1 2,5 2h(m)stuwdrukp (kN/m )w2w,jpw,ipdruklijnRiNjNiMjM0 1 2 3 0 5 10 15 0 5 10 15 20 0 20 40 60druklijn enR (m)N (MN) M (MNm) e/R=M/N?R (%)7 | Stuwdruk, verticaledoorsnede met druklijnen straal R, N-lijn, M-lijnen e/R = M/NR voor eenschoorsteen van 72 mhoogte (strook van 1 mniet op schaal)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteenconstr uc tieswordtderesulterendekracht,Ni,benaderd en de bijdrage aan hetmoment, Mi(fig. 8).Ter plaatse van de scheur is despanning nul, aan de andere zijdemaximaal, met een verdelingzoals volgt uit het aangenomen --diagram, bijvoorbeeld bilineairzoals in de TGB-steen. Danworden N = ni=1Nien M = ni=1Ni? eibepaald.Bij de gekozen scheurdiepte zijndanNenMbekendalsfunctievande sterkte f'm;d.Daarna worden N en M dimen-sieloosgemaakt,resulterendindebenuttingsgraad en de mo-mentcapaciteit ? in relatie tot debuitenstraal R als: = N/Nmaxen ? = M/(Nmax? R)waarin:Nmax= (R2- r2) ? f'm;dDeze procedure wordt voor eenaantal scheurdiepten voor de be-treffende doorsnede herhaald.In figuur 9 is het verband tussen? en voor een aantal doorsne-den (R/r-verhoudingen) uitge-zet. Deze grafiek dient als hulp-middel bij het bepalen van deoptredende spanningen. Ter ver-gelijking zijn de meer ver-trouwde waarden van een recht-hoekige doorsnede bij eenbilineair --diagram eveneensweergegeven.Per doorsnede is, per scheur-diepte, eveneens de positie vande resultante van de drukspan-ningen (e/R = M/NR = ?/)bekend, die in figuur 10 is uitge-zet tegen de benuttingsgraad .In figuur 11 is de scheurdiepteuitgezet tegen de benuttings-graad .SpanningscontroleUit figuur 7 is de waarde van deexcentriciteit op een bepaaldehoogte af te lezen, alsmede de ver-houding e/R. Met deze e/R-waarde kan in figuur 10 debenuttingsgraad worden ge-vonden en daarmee in figuur 9 demomentcapaciteit ?. Met dezewaarden van ? en kunnen despanningen in de desbetreffendedoorsnede worden bepaald. Descheurdiepte kan worden gevon-den met figuur 11.Voorbeeld: bij R/r = 0,7 en eenkantelveiligheid van 2 is e = 0,5 R, = 0,5 (fig. 10), ? = 0,25 (fig. 9) ende scheurdiepte is 0,22 R (fig. 11).Het was wenselijk dat de optre-dende spanningen niet te grootwerden, omdat het metselwerkvan de schoorsteen aan vrij hogetemperaturen kon worden bloot-gesteld en omdat de wisselvalligewindbelasting toch een zekerevermoeiing veroorzaakt. Bij li-neair-elastischrekeneniserenigereservesterkte, die door de hollebuisvorm groter is dan voor eenrechthoekige doorsnede [4, 5].Naast de optredende spanningendient de scheurdiepte te wordenbeoordeeld. Volgens [2] mag in degebruikssituatie de beschouwdedoorsnede niet dieper inscheurenn.l.doorsnedeaanzichtspanningsblokn.l._21 Aiei_21 Aiif'm,df'm,d0510152025300 20 40 60 80 100= N/N (%)R/r = 0,6R/r = 0,7R/r = 0,8rechthoekige drsn=M/N?Rmax?max0,000,200,400,600,801,000 20 40 60 80 100R/r = 0,7R/r = 0,6R/r = 0,8rechthoekige drsn= N/N (%)e/r=/?max0204060801000 20 40 60 80 100= N/N (%)scheurdiepte(%)R/r = 0,7R/r = 0,6R/r = 0,8rechthoekige drsnmax8 |Spanningsverloop ingescheurde doorsnedeNi= AiiMi= NieiN is het volume van hetspanningsblok9 |Momentcapaciteit versus benuttingsgraad, ?--diagram10 | e/R versus benuttingsgraad 11 | Scheurdiepte versus benuttingsgraad cement 2004 286O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSteencons tr uc tiescement 2004 2 87dan de wanddikte. De scheurraakt dan aan de binnenomtrek,dit om valse trek door scheuren tevoorkomen. In de bezwijksituatiemag de scheurdiepte niet groterzijn dan 0,6 keer de buitendiame-ter.Bijkomende effectenNaast wind als belangrijkste be-lasting dienen ook bijkomendebelastingen zoals die door scheef-stand, eenzijdige opwarming,tweede-orde-effecten en resonan-tie te worden beoordeeld. Doorscheefstand en windbelasting zalde fundering aan een kant zwaar-der worden belast en een bijko-mende scheefstand van deschoorsteen veroorzaken. Voor-zichtigheidshalve wordt gestelddat schoorstenen 1/250van dehoogte uit het lood kunnen staan[2]. Door bezonning kan de enekant wel 20 C warmer wordendan de andere kant, waardoor deschoorsteen krom gaat staan.Scheefstand of kromming ver-oorzaken een verplaatsing van depositie van het zwaartepunt vanelke snede en daarmee een bijko-mend moment door het gewichtvan de schoorsteen boven diesnede.Bij het bepalen van het effect vanresonantie wordt meestal bekekenwat de vervorming zou zijn als hetgewicht van de constructie als be-lasting in de resonantierichtingzou werken. De kritieke windsnel-heden die dan worden gevondenzijngewoonlijklaag(