rapport 147 kolom-balkverbindingen in gewapend betonconstructies

rapport 147 kolom-balkverbindingen in gewapend betonconstructies

civieltechnisch centrum uitvoering research en regelgeving 147 kolom-balkverbindingen in gewapend betonconstructies ONDERZOEK UITGEVOERD DOOR STEVINLABORATORIUM VAN DE TECHNISCHE UNIVERSITEIT DELFT EN TNO-IBBC (THANS TNO-BOUW)

Dit rapport is onder de volgende trefwoorden opgenomen in het CUR-infobestand: balk-kolomverbinding beugels constructieve wapening - beugels - dwarskrachtwapening gewapend beton detaillering dwarscontractiecoefficient kolom-balkverbinding moment-(normaalkracht)krommingsrelatie rotatiecapaciteit staalspanningsverloop De CUR en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verwerken van de in deze publikatie vervatte gegevens; deze gegevens geven de stand van de techniek op het moment van uitgifte weer. Nochtans moet niet warden uitgesloten de mogelijkheid dat zich toch onjuistheden in deze publikatie kunnen bevinden. Degene die van deze publikatie gebruik maakt, aanvaardt daarvoor het risico. De CURsluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze gegevens. ISBN 9037600026

VOORWOORD Geijkte constructiedetails blijken vaak minqer veilig dan wordt verwacht. Om dit te onderzoeken ging CUR-onderzoekcommissie C28 "Constructiedetails" najaar '72 van start met het eerste punt van een verlanglijstje: hoekdetail van raamwerken, in de veronderstelling eind '73 het rapport gereed te hebben. Bij het Instituut TNO voor Bouwmaterialen en Bouwconstructies werd de verankering van op trek belaste staven betonstaal onderzocht en parallel daaraan in het Stevinlaboratorium van de Technische Universiteit Delft, in het kader van een proevense~ie voor het studentenprakticum, de dichtgedrukte hoek van een op schaal gemaakt portaal. Over de tegenvallende sterkte werd op de CUR-dag 1974 enin Cement 1974, nr. 9 gerapporteerd, maar een juiste verklaring en noodzakelijke aanvulling op de Voorschriften Beton konden nog niet worden gegeven, ook al omdat in de internationale literatuur geen steun kon worden gevonden. Met de dichtgedrukte hoek kwamen ook de opengetrokken hoek, de T-aansluiting en de kruisverbinding in een kwaad daglicht te staan. Terecht, zoals uit nieuwe proevenseries bleek. Omdat in die proevenseries, door beperkte geldmiddelen, niet alle gewenste varianten worden onderzocht, is aansluiting gezocht bij de in CUR-commissie E2 "Rationalisatie van de wapening" voorgeste1de standaarddetails, die tevens in de GTB zouden worden opgenomen. Voor een verklaring van de tegenvallende sterkte werd ook de hulp ingeroepen van CUR-commissie A 26 "Betonmechanica", die hierover in CUR-rapport nr. 114 rapporteerde. Om duidelijk te maken waarom er toch vrij weinig gebreken aan uitgevoerde constructies voorkomen, zijn door de RWS en TNO-IBBC met het Stanil rekenprogramma enkele geschoorde en ongeschoorde portalen doorgerekend, waaruit bleek dat momentenherverdeling een gunstige factor is. Bovendien werd door de afdeling Bouwkunde van de TU Delft ook de opbouw van de spanningen in een betonskelet tijdens de uitvoering onderzocht. Aan allen die enthousiast hebben gezocht naar een antwoord op de schijnbaar eenvoudige vragen wordt hierbij hartelijk dank gezegd. Met name zijn dit: Prof. dr. ir. J. BLAAUWENDRAAD en ir. S. F. C. LEIJTEN, ir. C. GOUWENS, if. A. J. WUBS en ir. A. K. DE GROOT t, ing. J. 1. KOLPA en if. M. LEGUIJT, ir. C. M. J. M. VAN ORIEL, dr. ir. L. 1. M. NELISSEN, ir. W. J. VAN DEN BOOGAARD, ing. A. C. VAN RIEL. Ten tijde van het afronden van dit rapport was de samenstelling van de commissie: if. W. J. PETRI, voorzitter jhr. ing. H. G. SIX, secretaris if. M. DRAGOSAVIC

ir. W. A. EISMA ir. A. S. HOEKSTRA if. J. STROBAND if. H. P. J. VEREIJKEN, coordinator ir. H. A. VAN DIJK, mentor Dit rapport behandelt het uitgevoerde onderzoek en geeft een analyse van de gevonden resultaten. Het experimentele onderzoek werd uitgevoerd bij het Stevinlaboratorium van de Technische Universiteit Delft onder leiding van ir. J. STROBAND en if. P. J. VAN STEKELENBURG. De redactie van het rapport is verzorgd door if. J. STROBAND. September 1991 Het bestuur van de CUR

INHOUD NOTATlES EN DEFINITlES. 8 Hoofdstuk 1 INLEIDING. 11 Hoofdstuk 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Hoofdstuk 3 3.1 3.2 3.3 3.4 Hoofdstuk 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Hoofdstuk 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.6 5.7 BESCHRIJVING VAN HET GEDRAG VAN KOLOM-BALK- VERBINDINGEN.................. 14 Hoekverbinding belast met een negatief moment. 14 Hoekverbinding belast met een positief moment. 15 Verbinding van een balk aan een doorgaande kolom 16 Kruisverbinding 17 Conclusie..................... 18 UITGANGSPUNTEN VOOR DE BEOORDELING VAN VERBINDINGEN 19 Het schematiseren van raamwerken. 19 Maatgevende snede.......... 21 Sterkte-effectiviteit.......... 22 Buigstijfheid en vervormingscapaciteit 24 KRACHTSWERKING IN VERBINDINGEN.. 26 Verankering van wapening door ombuiging. 26 Splijtwerking bij ombuigingen...... 27 Aanhechting van de doorgaande wapening 29 Twee-assige spanningstoestanden. 29 Dwarskracht in het knooppunt 30 Berekeningsmethoden...... 31 HOEKVERBINDING BELAST MET EEN NEGATlEF MOMENT.. 33 Analyse van de krachtswerking in de verbinding 33 Experimenteel onderzoek........... 36 Sterkte-effectiviteit............... 37 Invloed van het verloop van de hoofdwapening. 40 Invloed van de betonkwaliteit......... 41 Invloed van de zijdelingse dekking en de buigstraal van de wapening............... 41 Invloed van bijlegwapening...... 44 Buigstijfheid en vervormingscapaciteit 46 Langdurige en herhaalde belasting 47 Afmetingen van het knooppunt. 48 Samenvatting en conclusies.... 48 5

Hoofdstuk 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.5 6.6 6.7 6.8 HOEKVERBINDING BELAST MET EEN POSITIEF MOMENT. Analyse van de krachtswerking in de verbinding Experimented onderzoek. Scheurvorming............... Sterkte-effectiviteit............. Invloed van de detaillering van de wapening Invloed van de betonkwaliteit....... Invloed van de buigstraal van de wapening. Buigstijfbeid en vervormingscapaciteit... Langdurige, herhaalde en wisselende belasting Afmetingen van het knooppunt. Samenvatting en conclusies.......... 50 50 52 53 55 55 60 61 63 64 65 65 Hoofdstuk 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.5 7.6 7.7 VERBINDING VAN EEN BALK AAN EEN DOORGAANDE KOLOM Analyse van de krachtswerking in de verbinding Experimenteel onderzoek. Scheurvorming................. Sterkte-effectiviteit............... De randvoorwaarden en de grootte van de normaalkracht. Invloed van de betonkwaliteit........ Invloed van de detaillering van de wapening Invloed van de kolom-balkverhouding Invloed van een aangestorte vloer...... Stijfheid en vervormingscapaciteit..... Langdurige, herhaalde en wisselende belasting Samenvatting en conclusies.......... 67 67 71 73 76 77 80 81 87 88 90 92 93 Hoofdstuk 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.5 8.6 8.7 6 KRUISVERBINDING................ Analyse van de krachtswerking in de verbinding Experimenteel onderzoek. Scheurvorming........ Sterkte-effectiviteit...... Invloed van de betonkwaliteit. Invloed van de detaillering van de wapening Invloed van de afmetingen van het knooppunt Invloed van de verhouding van de balkmomenten. Vergelijking met de doorgaande kolom-balkverbinding Stijfbeid en vervormingscapaciteit....... Langdurige, herhaalde en wisselende belasting Samenvatting en conclusies.......... 95 95 98 99 103 106 106 109 109 110 111 112 113

Hoofdstuk 9 9.1 9.2 9.3 Hoofdstuk 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 ANDERE VERBINDINGEN................. Verbinding van een kolom aan een doorgaande balk.. Hoekverbindingen met een scherpe of een stompe hoek Hoekverbindingen in keerwanden............ VERBINDINGEN EN RAAMWERKEN. Invloed van de uitvoering op de krachtsverdeling..... Invloed van verbindingen op het gedrag van raamwerken. Veiligheid van raamwerken met imperfecte verbindingen. Berekening van verbindingen. Samenvatting en conclusies. 115 115 117 119 121 121 123 125 128 133 Hoofdstuk 11 11.1 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 AANBEVELINGEN................... Uitgangspunten voor de berekening van raamwerken. Aanbevelingen voor de detaillering van verbindingen. Hoekverbinding belast met een negatief moment.. Hoekverbinding belast met een positief moment.. Verbinding van een balk aan een doorgaande kolom Kruisverbinding met gelijk gerichte balkmomenten. 134 134 135 136 138 140 142 Hoofdstuk 12 SAMENVATTING EN CONCLUSIES LITERATUUR.. '. 145 148 Zusammen/assung. Resume.. Summary.... 150 153 156 7

NOTATIES EN DEFINITIES Aa oppervlakte van de doorsnede van de hoofdtrekwapening van betonstaal A~ oppervlakte van de doorsnede van de hoofddrukwapening van betonstaal Ab oppervlakte van de bruto betondoorsnede b breedte van de betondoorsnede c betondekking op de buitenste wapening c betondekking op de hoofdwapening d afstand van de hoofdtrekwapening tot de uiterste gedrukte vezel Ea elasticiteitsmodulus van betonstaal E~ elasticiteitsmodulus van beton bij druk F geconcentreerde last le vloeigrens c.q. 0,2 rekgrens van betonstaal fak karakteristieke treksterkte van betonstaal fa rekenwaarde voor de treksterkte van betonstaal f~ kubusdruksterkte van beton f~k karakteristieke kubusdruksterkte van beton f k karakteristieke druksterkte van beton f rekenwaarde voor de druksterkte van beton fbu splijttreksterkte van beton fbk karakteristieke treksterkte van beton fb rekenwaarde voor de treksterkte van beton id rekenwaarde voor de aanhechtsterkte van beton h nuttige hoogte van de betondoorsnede h t totale hoogte van de betondoorsnede Id verankeringslengte van een wapeningsstaaf 1 0 gedeelte van de verankeringslengte tot de ombuiging M buigend moment Mu uiterst opneembaar buigend moment (vloeimoment) r inwendige buigstraal van de wapening bij een ombuiging t h.o.h. afstand van wapeningsstaven T dwarskracht w scheurwijdte b doorbuiging A. verhouding van de nuttige hoogten van de kolom en de balk sterkte-effectiviteit (Ja optredende trekspanning in het staal (Jb optredende trekspanning in het beton (Jb optredende drukspanning in het beton ab,rad radiale drukspanning ter plaatse van de ombuiging van betonstaal r schuifspanning 8

r d qj Wo aanhechtspanning tussen staal en beton hoekverdraaiing geometrisch wapeningspercentage betrokken op de nuttige hoogte w~ mechanisch wapeningspercentage 0k kenmiddellijn van een wapeningsstaaf Definities Knooppunt, verbinding De krachtswerking in een verbinding wijkt op essentiele punten af van de krachtswerking in de balk en de kolom. Het gemeenschappelijke gedeelte van de balk en de kolom wordt daarom beschouwd als een afzonderlijk constructiedeel en wordt in het rapport knooppunt genoemd. Onder verbinding wordt verstaan het samenstel van het knooppunt en die aansluitende delen van de balk en de kolom waarin de krachtswerking door het krachtsverloop in het knooppunt wordt beynvloed. Een en ander is in de figuur aangegeven. ~ knooppunt o verbinding Maatgevende snede De maatgevende snede van de balk ofde kolom is die snede in de verbinding waarin de maximale staalspanning in de hoofdwapening van de balk ofde kolom wordt bereikt. De plaats van de maatgevende sneden is in onderstaande figuur voor enkele verbindingen schematisch aangegeven (sneden I tot IV). De plaats van de maatgevende sneden wordt in 3.3 nader beschouwd. I n maatgevende sneden 9

Sterkte-effectiviteit De sterkte-effectiviteit van een verbinding is de verhouding, uitgedrukt in procenten, van de experimenteel gevonden bezwijklast en de theoretisch bepaalde uiterste draagkracht van een proefstuk. Een sterkte-effectiviteit van 100% wil dus zeggen dat de verbindingjuist in staat is het theoretische bezwijkmoment van het maatgevende aansluitende constructiedeel over te dragen. Voor een nadere beschouwing wordt verwezen naar 3.4. 10