s tichting b ouwr esearch Realistische rekenmodellen voor metselwerk 245
Rapporteur: Ir. R. van der Pluym, TNO-Bouw, Delft.
stichtingl.ouw. esearch Realistische rekenmodellen voor metselwerk Rotterdam, 1992 245
DOELSTELLING STICHTING BOUWRESEARCH Stichting Bouwresearch (SBR) verleent de bouwnijverheid hulp bij het toepassen van nieuwe inzichten en ontwikkelingen op het gebied van management, organisatie en technologie. Belangrijkste doelstelling van SBR is het laten uitvoeren van onderzoek gericht op verbetering van kwaliteit, produktiviteit, arbeidsomstandigheden en zorg voor de werkgelegenheid in de bouw. SBR voert circa 80 onderzoeksprojecten per jaar uit en werkt actief aan het overdragen van de kennis naar alle geledingen binnen de bouwnijverheid. De Stichting en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verwerken - naar de laatste inzichten - van de in deze publikatie opgenomen gegevens. De mogelijkheid dat zich desondanks onjuistheden in deze publikatie kunnen bevinden kan niet worden uitgesloten. Degene die van deze publikatie gebruik maakt aanvaardt daarvoor het risico. De stichting sluit, mede ten behoeve van degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van informatie uit deze publikatie. CIP-GEGEVENS KONINKLIJKE BIBLIOTHEEK, DEN HAAG Pluijm, R. van der Realistische rekenmodellen voor metselwerk / R. van der Pluijm. - Rotterdam: Stichting Bouwresearch. - (SBR-publicatie ; 245) Met lit. opg. - Met samenvatting in het Engels. ISBN 90-5367-045-9 NUGI833 Trefw.: metselwerk; rekenmodellen. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de Stichting Bouwresearch. No part of this book may be reproduced in any form by print, photoprint, microfilm, stored in a database or retrieval system, or any other means without written permission from the Stichting Bouwresearch.
INHOUD WOORD VOORAF 5 SAMENVATTING 6 SUMMARY 7 1 INLEIDING 8 2 SPOUWMUURCONSTRUCTIES ' 9 2,1 Inleiding 9 2,2 Materiaaleigenschappen 10 2,3 Geometrie en randvoorwaarden van het spouwmuurmodel 12 2.4 Windbelasting 14 2.5 Voorbeeld spouwmuurberekening 15 2,5.1 Grote gelijmde spouwbladen in een fabriekshal 15 2.5.2 Spouwmuur in een woonhuis. 17 3 BOUWMUREN 20 3.1 Inleiding 20 3.2 Materiaaleigenschappen 20 3.3 Berekening van de eigen stabiliteit van de bouwmuur 22 3.3.1 Het gedrag van de bouwmuur 22 3.3.2 Het gedrag van de bouwmuur onder invloed van de vloer. 25 3.4, Voorbeelden 26 3.4.1 Belastingen 26 3.4.2 Doorgaande vloer op een massieve bouwmuur 28 3.4.3 Kanaalplaatvloer op een massieve bouwmuur 28 3.4.4 Kanaalplaatvloer op een ankerloze spouwmuur 28 3.5 Conclusie 29 Stichting Bouwresearch 3 /
REALISTISCHE REKENMODELLEN VOOR METSELWERK 4 RAAMWERKEN 31 4.1 Inleiding 31 4.2 Los gestapeld raamwerk 31 4.3 Windbelasting 32 4.4 Voorbeelden 33 4.4.1 Doorgaande vloer op een massieve bouwmuur 33 4.4.2 (Kanaal)plaatvloer met ankerloze spouwmuur 34 4.5 Conclusies 34 5 OPVULWANDEN IN RAAMWERKEN 35 6 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 37 LITERATUUR 38 SYMBOLEN 39 BIJLAGE I: TOEPASSING STAPELBOUW.40 4
WOORD VOORAF Hoewel- of misschien doordat - metselwerk al eeuwenlang in de bouw wordt toegepast, loopt de theorie voor het berekenen ervan achter bij de uitvoeringspraktijk. Voor constructies, opgetrokken uit jongere materialen, zoals staal en beton, geldt dat niet. Er is meer bekend over de materiaaleigenschappen. Mede door het homogene karakter van deze materialen, sluiten de resultaten van berekeningsmethoden goed aan bij de praktijk. Dit is bij metselwerk geenszins het geval. In de opeenvolgende Technische Grondslagen voor de berekening van Bouwconstructies (TGB's) van 1955, 1972 en het aanvullingsblad van 1985 werden rekenregels voor metselwerk ontwikkeld, die op kunstmatige wijze de aansluiting tussen theorie en praktijk tot stand brachten. Een reductiecoëfficiënt voor de windbelasting van lage gebouwen 0,6 in de TGB 1972) of hoge rekenwaarde voor de treksterkte was voor elke constructeur een crime. Het werd hoog tijd voor een nieuwe aanpak. Binnen het BRIK-onderzoekproject wordt door CURcommissies onderzoek gedaan naar fundamentele uitganspunten. De noodzaak tot theorievorming, zeker voor veel toegepaste metselwerkconstructies blijft. In goed overleg met de CUR heeft de SBR een onderzoek laten uitvoeren naar de mogelijkheid realistische rekenregels te ontwikkelen voor enkele belangrijke constructie-onderdelen, zoals spouwmuren en bouwmuren. Opmerkelijk is dat het resultaat voor een groot deel tot stand kwam met gebruikmaking van reeds bestaande, maar her en der verspreide kennis. Voor het eerst is deze kennis geordend en toegankelijk gemaakt. Hierdoor bleek het mogelijk met de TGB 1990 Steenconstructies bij de hand, ook nieuwe en wellicht goedkopere constructies te ontwerpen. Ook met het oog op de komende-europese regelgeving is het resultaat van groot belang. Het verkleint de kans dat de typisch Nederlandse, slanke bouwwijze plaats moet rna-ken voor zwaardere en duurdere bouwwijzen, zoals die bijvoorbeeld in Duitsland verplicht is. Het onderzoek werd uitgevoerd door ir. R. van der Pluijm van TNO-Bouw. De SBR-commissie 'Gestapelde bouw' heeft met veel inzet en inzicht het onderzoek begeleid. Zowel de relatie met de praktijk van het bouwen als nieuwe ideeën ten aanzien van de theorievorming (stapelsteenmechanica) werden in de discussie betrokken. Deze publikatie is een verkorte versie van het uitgebrei - de onderzoeksrapport F-54 'Mechanicamodellen voor gestapelde bouw" [21] dat bij de SBR kan worden besteld. Het via de TNO-EZ stimuleringsregeling gesubsidieerde onderzoek kwam mede tot stand door een financiële bijdrage van het Koninklijk Verbond van Nederlandse Baksteenfabrikanten KNB en een gift van het CVK Kalkzandsteenindustrie. ir. W.O. Wassenaar, voorzitter D De commissie' ir. W.O. Wassenaar, voorzitter ir. P.K. van der Schuit, coördinator prof. ir. W.J. Beranek ir. W.J. Copier r. J.e. KeIler ing. P. Kole ir. R. van der Pluijm, rapporteur ing. W. Rauwerdink ir. A.J.M. Siemes H. Smit, MB! ir. K.J. Tonkens Raadgevend Ing. Buro Wassenaar, Haren (Gr) SBR, Rotterdam TU Delft, afd. Bouwkunde N.V. Nederlandse Spoorwegen, Utrecht KNB, de Steeg CUR, Gouda TNO-Bouw, Delft tvk Kalkzandsteenindustrie, Hilversum TNO-Bouw Raalte KNB, de Steeg Stichting Bouwresearch 5
REALISTISCHE REKENMODELLEN VOOR METSELWERK SAMENVATTING Deze publikatie behandelt rekenregels - rekenmodellen - voor het berekenen van de mechanische eigenschappen van bouwconstructies met metselwerk. De regels zijn het resultaat van door de SBR-commissie 'Gestapelde Bouw' begeleid onderzoek, dat werd uitgevoerd door TNO-Bouw waarbij de huidige kennis werd gerangschikt en toegankelijk gemaakt.. De resultaten zijn met name van belang voor de woningbouw. De rekenregels hebben betrekking op de volgende constructie-onderdelen (zie ook figuur 1): Hoofdstuk 2: SPOUWMUREN In afwijking van NEN 6790: TGB 1990 Steenconstructies word t geen red uctiefactor toegepast voor verlaging van de windbelasting. Bovendien wordt het eigen gewicht als een actieve belasting in rekening gebracht en is belastingafdracht in horizontale en verticale richting mogelijk. Hoofdstuk 3: BOUWMUREN Schematisering van de werkelijke constructie toont aan dat pendels in een raamwerk ook bij grote verplaatsingen niet gaan aanpendelen. Zij kunnen daarom worden weggelaten in een stabiliteitsberekening. Hoofdstuk 4: RAAMWERKEN Voor raamwerken van bouwmuren en vloeren met voldoende capaciteit voor het opnemen van buigende momenten, wordt een eenvoudige rekenmethodiek gegeven, die rekening houdt met geometrisch en fysisch niet-lineair gedrag. Daardoor is het niet nodig toeslagen in rekening te brengen. Hoofdstuk 5: OPVULWANDEN IN RAAMWERKEN In dit hoofdstuk is globaal aangegeven welke invloed opvulling met metselwerk heeft op de stijfheid van raamwerken. Bij elk van de genoemde constructie-onderdelen zijn voorbeelden gegeven van de wijze waarop de rekenregels kunnen worden toegepast. Voor alle duidelijkheid: de regels gelden voor alle in TGB-steen genoemde materialen zoals baksteen, kalkzandsteen, betonsteen, gasbeton, gipsblokken, enz. Een inventarisatie van de in Nederland toegepaste bouwwijzen diende als kader voor het ontwikkelen van de modellen (zie bijlage I). - -- -- -I SPOUWMUUR belast door WIND BOUWMUREN belast door ZWAARTEKRACHT Figuur 1 Overzicht van de beschouwde constructieonderdelen. Figure 1 Structural components. DRAAGCONSTRUCTIE belast door ZWAARTEKRACHT en WIND m_1 INGEVULD RAAMWERK belast door WIND 6
SUMMARY This report deals with numerical procedures/models for calculating the mechanical properties of brickwork structures. The procedures are the result of investigations initrated by SBR and carried out by TNO-Building. The results are mainly of interest to flat construction. The calculation procedures relate to the following structural components, see also Figure 1. Chapter 2: CA VITY W ALLS In contrast to NEN 6790: TGB 1990 "Brick Structures ", a reduction factor for wind loads has not been applied. In addition the deadweight has been taken as an active load and the transfer of loads horizontally and vertical-. ly considered. Chapter 3: LOAD-BEARING W ALLS Schematization of the actual structure shows that laterally restrained pin joints in a framework do not act as hinges even for large displacements. They can therefore be reglected in stability calculations. Chapter 4: FRAMEWORKS A numerical method is given for load-bearing wall and floor frameworks which have sufficient capacity to absort bending moments. The calculation takes into account geometrie and physical non-linearity. Allowance need not therefor be made in the calculation. Chapter 5: FRAMEWORK INFILLING The general effect of brickwork infilling on the stiffness of frameworks is discussed in this chapter. Examples of how the calculation procedure can be applied are given for each of the structural components being considered. An inventary of the procedures used in the Netherlands serves as a framework for the development of the modeis (see Appendix I) Stichting Bouwresearch 7
REALISTISCHE REKENMODELLEN VOOR METSELWERK 1 INLEIDING De wijze waarop nu in Nederland in metselwerk wordt gebouwd, leidt in het algemeen tot zeer bruikbare en betrouwbare bouwwerken. Als er schade ontstaat, betreft dat meestal scheurvorming die de veiligheid niet beïnvloedt. Het geringe aantal instortingen dat zich in Nederland heeft voorgedaan, is bijna altijd terug te voeren op menselijke fouten. Ondanks dit gunstige beeld zijn er de laatste jaren naar aanleiding van de volgende feiten vragen gerezen ten aanzien van het constructief gedrag van metselwerk: Bij sloop blijkt SOI11S dat het metselwerk nagenoeg geen samenhang (l1leer) heeft. Het bouwwerk heeft niettemin alle belastingen kunnen verwerken. Er is op vrij grote schaal metsel mortel met een te hoog lu eh tgehalte gebruikt dat niet of nauwelijks hecht. Er zijn geen aanwijzingen dat hierdoor in de praktijk constructieve problemen zijn ontstaan. Uit controleberekeningen voor bestaande bouwwerken blijkt, dat goed functionerende gebouwen een veiligheidsl1large kunnen hebben die veel klei/ler is dan de marge die volgt uit toepassing van de vereiste veiligheidscoëfficiënt y = 1,7 of 2,0. Probabilistische analyses van gemetselde,constructies tonen aan dat de betrouwbaarheid beduidend lager kan zijn dan van constructies, uitgevoerd in bijvoorbeeld. staal, beton of hout. De in de praktijk gebleken betrouwbaarheid van l1letselwerk is daarentegen zeer hoog. De conclusie ligt voor de hand: de rekenregels voor het berekenen van metselwerkconstructies sluiten onvoldoende aan bij het feitelijk gedrag van deze constructies in de praktijk. Wetenschappelijk gezien is dat een ongewenste situatie. In de praktijk viel ermee te leven, zoals uit het recente verleden blijkt. Toch blijven er een aantal bezwaren: Er kan geen objectieve grens worden aangegeven voor de mate waarin afwijkingen in de constructie nog toelaatbaar zijn. Nieuwe constructieve ontwikkelingen worden geremd. De internationale aansluiting wordt gemist; dit kan vooral nadelige gevolgen hebben wanneer de grenzen binnen de Europese Economische Gemeenschap open gaan. Metselwerk zal verder worden teruggedrongen door andere materialen; dit heeft enerzijds negatieve gevolgen voor de bedrijfstakken die daarvan afhankelijk zijn, anderzijds dreigt een belangrijke bol/wcultuur in Nederland te verdwijnen. De gesignaleerde discrepantie tussen theorie en praktijk wijst er bovendien op, dat in metselwerk economischer kan worden gebouwd, zonder afbreuk te doen aan de veiligheid of de betrouwbaarheid. 8