1 Met lijmwapening kan constructieve veiligheid worden geborgd Toepassing NSM-wapening in galerijen 36
ing. Edwin van Strien PMSE, ing. Sander Molenaar Ingenieursbureau IOB 1 Eindresultaat van een gerenoveerde galerij, waarbij de awerkvloer is hersteld en een nieuwe vloercoating is aangebracht In 2011 werd de bouwwereld opgeschud door het bezwijken van een galerijvloer in een lat in Leeuwarden. Naar aanleiding daarvan vond uitgebreid onderzoek plaats naar de constructieve veiligheid van dergelijke vloeren. In Nederland bleken honderden lats te staan met een relatie groot veiligheidsrisico. Bij een deel van die lats zijn versterkingsmaatregelen nodig. Een van de oplossingen is het aanbrengen van lijmwapening. Uit onderzoek door de overheid is gebleken dat er bij galerijlats die tussen 1950 en 1975 zijn gebouwd, een risico bestaat dat uitkragende vloeren als balkons en galerijplaten bezwijken. De oorzaken van dit risico kunnen in drie hoodpunten worden samengevat: gewijzigde belastingen (bijv. nieuwe en/o dikkere awerkvloeren, verhoogde vloeren zoals hellingbanen); een lagere ligging van de wapening in de betondoorsnede dan op tekening aangegeven; chloriden in het beton met als gevolg (put)corrosie van de wapening. In navolging van deze bevindingen is er een onderzoeksplicht ingesteld voor eigenaren en gebouwbeheerders naar de constructieve veiligheid van dergelijke vloeren. Daartoe is een aanpassing van het Bouwbesluit doorgevoerd, gepubliceerd in de Staatscourant (nr. 45221) op 22 december 2015. Om discussies over het soort en type onderzoek te beperken, is CUR-publicatie 248 Constructieve veiligheid van uitkragende galerijplaten opgesteld (zie kader). Mogelijke oplossingen Wanneer uit het verplicht gestelde onderzoek naar voren komt dat niet wordt voldaan aan de minimale eisen van constructieve veiligheid, moeten voorzieningen o aanpassingen worden aangebracht om de constructieve veiligheid te borgen. Er zijn meerdere mogelijkheden om de constructie op te waarderen. CUR-publicatie 248 In CUR-publicatie 248 Constructieve veiligheid van uitkragende galerijplaten staat een protocol over hoe de veiligheid van uitkragende galerijplaten moet worden beoordeeld en de maatregelen die moeten worden genomen indien ze niet voldoen. De eerste versie van deze publicatie is verschenen in 2012. In 2014 volgde een tweede versie. Meer over de publicatie is te lezen in het Cement-artikel Balkons en galerijplaten: veilig genoeg? Dit artikel is te raadplegen op www.cementonline.nl. De CUR-publicatie zel is gratis beschikbaar op www.sbrcurnet.nl. Enkele voorbeelden zijn: Plaatsen van een staalconstructie ter ondersteuning van de galerijen. Dit kan een gestapelde constructie met undatie zijn o een hangende constructie. Aanpassing van de belastingen. Hierbij kunnen bijvoorbeeld awerkvloeren worden vervangen door een lichtere awerking. Vervangen van de vloeren. Hierbij worden de vloeren gesloopt en vervangen door bijvoorbeeld een lichte composietconstructie. Koppelen van de vloeren. Dit kan zowel horizontaal als verticaal worden uitgevoerd. Versterken van de bestaande doorsnede met extra wapening. Op basis van lijmtechnieken kan extra wapening worden toegevoegd aan de doorsnede. Dit kan een staal- o koolstovezelversterkte polymeer zijn. Aanbrengen van voorspanning in de doorsnede. De keuze die uiteindelijk wordt gemaakt, hangt a van een aantal actoren. Allereerst kan de vraag worden gesteld welke opties mogelijk zijn vanuit constructie oogpunt. Dit begint bij de doorsnede van de uitkragende vloerconstructie, gevolgd door de gebouwdimensies. Maar zeker ook belangrijk in het keuzeproces zijn de kosten voor de korte en langere termijn. Dit artikel gaat in op het versterken van de bestaande doorsnede van de galerijen door middel van wapening, in het bijzonder koolstowapening aangebracht onder de oppervlakte. Verstreken met extra wapening Een tekort aan buigtreksterkte van de betondoorsnede kan worden opgelost door het aanbrengen van vezelversterkte polymeren, ook wel bekend als lijmwapening. De vezels die kunnen worden toegepast, zijn onder meer glasvezel, aramidevezel, carbonvezel en basaltvezel. Er zijn verschillende manieren om de externe wapening aan te 37
2 Uitwendig aangebrachte lijmwapening 3 Nabij het oppervlak aangebrachte lijmwapening (NSM) 4 In de doorsnede aangebrachte lijmwapening 5 Unidirectioneel koolstovezelkoord uitwendig aangebracht nabij het oppervlak aangebracht (NSM) 2 NSM-wapening is wapening die net onder het oppervlak wordt aangebracht. Toepasbaar zijn gepreabriceerde staven met een vierkante o ronde doorsnede. Hierbij valt te denken aan ametingen variërend tussen 6 en 14 mm. Ook kunnen kleine rechthoekige lamellen met een dikte van 1,5 à 2,5 mm en een hoogte van 15 à 25 mm worden toegepast. in de doorsnede aangebracht Heboom Een tekort aan capaciteit in uitkragende vloeren wordt in het algemeen veroorzaakt doordat de wapening zich te laag in de doorsnede bevindt. Bijvoorbeeld doordat de wapening tijdens de uitvoering naar beneden is getrapt. Omdat de wapening lager in de doorsnede ligt, is de heboomsarm kleiner en is de wapening minder eectie. De heboomsarm van NSM-wapening is relatie groot, doordat deze vlak onder het oppervlak ligt. Bij het uitwenbrengen. Deze wapening kan uitwendig worden aangebracht (ig. 2), nabij het oppervlak (ig. 3) o in de doorsnede (ig. 4). In dit artikel gaan we verder alleen in op de oplossing waarbij de wapening nabij het oppervlak wordt aangebracht. In dat geval wordt ook wel gesproken van NSM-wapening. NSM staat hierin voor Near Surace Mounted. NSM-wapening 3 4 5 In het geval van uitkragende vloeren kan ook een unidirectioneel koolstovezelkoord (oto 5) worden toegepast. Dergelijke vezels worden in het werk geïmpregneerd met een lamineerhars. Doordat het impregneren in het werk wordt uitgevoerd, is het koord lexibel ten tijde van het aanbrengen. Een abuiging in lijn met de verankering ter plaatse van de overgang van de sleusparing naar de eindverankering als gevolg van de uitvoering, is daardoor eenvoudig te realiseren. Dit in tegenstelling tot voora gebogen staven. Dit systeem kan ook in staal worden uitgevoerd. Echter, de risico s van deze oplossing zijn mogelijke corrosie van de wapening en awijkingen in de uitvoering. De hellingshoek van de eindverankering kan tijdens de uitvoering een enkele graad awijken. Hierdoor kan het zijn dat de voora gebogen staa niet juist in de verankering past. Het risico wordt groter als het boorgat horizontaal en verticaal enigszins awijkt. Aanbrengen koolstovezelkoord Om het koolstovezelkoord aan te brengen, wordt een sleu in het beton gezaagd (oto 6). In het geval van uitkragende vloeren wordt een gat geboord in de achterliggende constructie ten behoeve van de eindverankering. Voora wordt de bestaande wapening gedetecteerd om schade aan de wapening bij het zagen te voorkomen. De sleu- en gatdimensies zijn ahankelijk van de toegepaste doorsnede van de koolstowapening. In de sleusparing wordt een dunne epoxylaag aangebracht waarop later het met lamineerhars geïmpregneerde koolstovezelkoord wordt geplaatst (oto 7). Tot slot wordt ook aan de bovenzijde een laag epoxy aangebracht zodat de NSMwapening volledig is ingebed. De werkwijze van het koolstovezelkoord is toegelicht in oto s 6, 7 en 1. Hierin is achtereenvolgens te zien: de voorbereide sleusparing, de verlijming en het eindresultaat. 38
7 6 dig aanbrengen van lijmwapening is de heboomsarm nog groter. Echter, NSM-wapening kent enkele voordelen ten opzichte van uitwendig aangebrachte lijmwapening. Ten eerste is er een betere aanhechting omdat de hechting in het volle beton wordt gerealiseerd. Hierdoor kan de benodigde verankeringslengte korter zijn, is er een geringere kans op onthechting door scheuroverbrugging en is er daardoor ook een hoger ductiel gedrag van het onthechtingsmechanisme. Daarnaast is de bescherming tegen mechanische schade, impact en brand beter, doordat de wapening is ingebed in het volle beton. Verder is NSM-wapening een goed alternatie daar waar het betonoppervlak te onregelmatig is om lamellen aan te brengen o de oppervlaktelaag van het beton van slechte kwaliteit is. Bovendien wordt geen extra dikte toegevoegd aan het betonelement. Nadelen van NSM-wapening zijn met name de intensievere uitvoering. Constructieve werking Nadat de NSM-wapening is aangebracht, ontstaat er een wisselwerking in de doorsnede en worden de trekspanningen verdeeld tussen de bestaande wapening en de nieuwe extra aangebrachte wapening. Binnen de doorsnede treden een aantal mechanismen op die van invloed zijn op de capaciteit. Er komen zes bezwijkvormen voor die moeten worden getoetst (ig. 8). 1 bezwijkvlak wapening-(epoxy)lijm; 2 bezwijkvlak (epoxy)lijm-beton; 3 bezwijken van de buitenste laag van de wapeningsstaa (inwendig schuivlak); 4 overschrijding van de treksterkte van de wapening; 5 splijten van de betondekking; 6 verankering in de achterliggende constructie (verankeringszone 1, iguur 9). de doorsnede te bepalen, namelijk (ig. 9): ter plaatse van de inklemming; ter plaatse van het punt waar het moment zó groot is dat in de versterkte doorsnede de maximale capaciteit van de bestaande wapening wordt bereikt; ter plaatse van het punt met de maximale momentcapaciteit van de bestaande doorsnede, zonder versterking. De initiële rekken in deze doorsneden worden bepaald op het moment van het aanbrengen van de versterking. Hierbij moet rekening worden gehouden met de aanwezige belastingen en kruipeecten van het beton en de belastingshistorie. Op de verschillende niveaus van en in de doorsnede kunnen de rekken worden vastgelegd van respectievelijk beton (ε c;0 ), staal (ε s;0 ) en de toekomstige positie van de NSM-wapening (ε ;0 ) (ig. 10). De vervolgstap is de doorsnedeberekening in de eindsituatie, agestemd op de benodigde momentcapaciteit van de doorsnede. Bijbehorende rekken zijn voor beton ε c;u, voor staal ε s en voor de toekomstige positie van de NSM-wapening ε. Intern evenwicht in deze situatie ontstaat bij de vergelijking: N + Ns + Nc = 0 4 1 3 2 5 6 Galerij waarin lokaal de awerkvloer is verwijderd en in het constructieve beton een smalle sleusparing is gemaakt 7 Aanbrengen koolstovezelkoord in epoxybed 8 Bezwijkvormen NSMwapening 8 Berekeningswijze De berekeningswijze van het wapeningssysteem is gebaseerd op een doorsnedeberekening van de onversterkte en versterkte doorsnede. Voor het bepalen van de krachten in de (versterkte) doorsnede is het van belang op drie posities het rekverloop in 39
9 Verschillende zones NSM-wapening 10 Doorsnedeberekening NSM-wapening Formule 1: Formule Ter plaatse 1: N van de betondoorsnede en staaldoorsnede kan de + Ns + Nc = 0 inwendige N kracht worden bepaald aan de hand van de rekken in + Ns + Nc = 0 Formule de eindsituatie 2: 1: zoals in het diagram in iguur 10 is bepaald. Owel: Formule 2: Ns = εs As E + Ns + Nsc = 0 Ns = εs As Es Formules 2: 3: Formules 3: Nc c;u c s = εs As Es c;d Nc = ε c;u Ac c;d Formules 4: 3: Voor de interne krachten in de NSM-wapening moet rekening Formule 4: worden N c = ( ε c;u gehouden Ac ε;0c;d ) A Emet ε ;0.Voor de kracht in de NSM-wapening moet N = ( daarom ε ε;0 worden ) A E uitgegaan van: Formule 4: N = ( ε ε ) A E ;0 verankeringszone 1 te versterken zone verankeringszone 2 NSM bestaande wapening benodigde momentcapaciteit moment versterkte doorsnede waarbij wapening vloeit momentcapaciteit bestaande doorsnede 10 De calculatie van de juiste snedekrachten gebeurt aan de hand van een iteratieve berekening. Met de verkregen spanningen uit de doorsnedeberekening kunnen de diverse bezwijkmechanismen worden getoetst. Ter plaatse van de inklemming moet de optredende kracht worden getoetst aan de maximaal toelaatbare verankeringskracht (verankeringszone 1, ig. 9). Voorts is bekend uit de voorgaande stappen tot waar de vloer moet worden versterkt, owel waar zich het punt in de doorsnede bevindt waar de momentcapaciteit van de bestaande wapening voldoende is. De benodigde lengte van de versterking wordt na dit punt vermeerderd met de benodigde verankeringslengte rekening houdend met de verschoven momentenlijn. Voor het speciieke geval van uitkragende vloeren die vallen onder CUR-publicatie 248 is meestal het bezwijkvlak (epoxy) lijm-beton maatgevend ten opzichte van de overige bezwijkmechanismen. Mede omdat in het algemeen met vrij lage betonsterkten wordt gerekend. Ervaringen in de praktijk In de praktijk zijn verschillende galerij- en balkonvloeren op deze wijze uitgevoerd. De hulpmiddelen om tot een goede uitvoering te komen, zijn verder ontwikkeld. Voorbeeld hiervan is het toepassen van een holle boor (ten behoeve van vloeizone wapening (plastisch) elastische zone verankerings zone het boren van de verankering in de achterliggende constructie) met stoazuiging waardoor overlast wordt beperkt. Bij de uitvoering is het uitgangspunt dat er geen bestaande wapening mag worden doorboord in de achterliggende constructie. Het kan voorkomen dat als gevolg van een beugel in de randbalk, de positie van de verankering enkele centimeters opschuit. Dit is in de uitvoering wel een aandachtspunt, maar voor het systeem geen beperking. Omdat versterking van de uitkragende vloeren direct van invloed is op de constructieve veiligheid, is een juiste uitvoering essentieel. Bewustzijn van de werkzaamheden en controle op het proces zijn van groot belang. Volgens de auteurs valt het versterken van betonconstructies door middel van lijmwapening onder de uitvoeringsklasse RS constructieve betonreparatie, zoals vermeld in CUR-Aanbeveling 118:2015. De uitvoerende partijen moeten bovendien gecertiiceerd zijn volgens BRL 3201. 9 ε c;0 ε ;0 ε s;0 moment van aanbrengen (onversterkt) ε c;u ε s ε opneembaar moment versterkte doorsnede N = (ε ε ;0 ) A E N s = ε s A s E s N c = ε c;u A c c;d interne krachten versterkte doorsnede Begrip De praktijk wijst uit dat deze wijze van versterken een prima methode is om doelmatig en eiciënt het vereiste o gevraagde veiligheidsniveau te borgen. De scepsis tegen lijmwapening maakt dan ook plaats voor begrip. 40