Naar aanleiding van de in 2011 ingestorte galerijplaten in Leeuwarden zijn door heel Nederland inspecties uitgevoerd op doorgestorte betonnen galerij- en balkonplaten. Door verkeerde uitvoering of corrosie van de wapening werd daarbij in veel gevallen een verminderde draagkracht geconstateerd. Er is een nieuwe versterkingsmethode ontwikkeld die een oplossing biedt in situaties waar andere versterkingssystemen niet wenselijk zijn. Daartoe worden gaten in de kopse kant van de uitkraging geboord, waarin vervolgens koolstof wapeningsstaven tot in de achterliggende vloer of randbalk worden verlijmd.
50
Innovatie
versterkings -
methode balkons
Beperkte esthetische veranderingen, overlast en een hoge versterkingsgraad
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
51
stalen staaf
stalen staafdruklaag
gefreesde sleuf
1 De nieuwe versterkingsmethode van uitkragende betonnen balkons: in de
kopse kant van de uitkraging worden gaten geboord, waarin koolstof
wapeningsstaven tot in de achterliggende vloer of randbalk worden verlijmd
2 Principeschets alternatieve oplossingen
In mei 2011 brak er bij de Antillenflat in Leeuwarden, zonder
enige waarschuwing, een deel van de bovenste galerijplaat af. In
zijn val sleurde deze plaat de onderliggende galerijplaten mee.
Na onderzoek werd vastgesteld dat putcorrosie en een te lage
ligging van de wapening de oorzaak waren. In Nederland zijn
in navolging daarop op verschillende doorgestorte beton- en
galerijplaten inspecties uitgevoerd. Bij verschillende van deze
onderzochte galerijplaten bleek dat de constructieve veiligheid
niet is gewaarborgd. Oorzaak is een te lage ligging van de
wapening, soms in combinatie met chloride geïnitieerde
putcorrosie [1].
Behalve het aanbrengen van een stalen hulpconstructie, zijn
veelgebruikte versterkingsmethoden gebaseerd op het inboren
van stalen ankers in de verhoogde, achterliggende binnenvloer.
Hierbij worden de ankers in een apart op de uitkraging aan te
brengen druklaag verankerd, of in een sleuf omgebogen en met
epoxy afgevuld (fig. 2). Er kleven echter nadelen aan deze
systemen. Zo is de aanhechtsterkte van het bestaande beton
vaak te beperkt om voldoende samenwerking tussen de druk-
laag en de uitkragende betonplaat te verkrijgen. Mede daarom
zijn veel ankers nodig om de juiste versterkingsgraad te halen.
Een significante kostenpost bij deze herstelmethoden is dat
coatings of dekvloeren van de uitkraging worden beschadigd of
zelfs geheel moeten worden vernieuwd.
Versterken zonder extra schade
In de zoektocht naar een passende oplossing voor dit probleem
heeft Vogel B.V. in samenwerking met ABT bv, B+BTec en S&P
Clever Reinforcement een aantal brainstormsessies georgani-
seerd met als doel een alternatieve versterkingsmethode te
ontwikkelen. Uit deze sessies is een aantal eisen naar voren
gekomen waaraan de versterkingsmethode moet voldoen:
- herstellen van de constructieve veiligheid door de uitkra-
gende vloer in de achterliggende constructie te verankeren;
- minimale overlast voor bewoners tijdens uitvoering, bijvoor -
beeld op het gebied van bereikbaarheid, geluidsoverlast, vuil
en stof;
1
ing. Mark Verbaten,
ing. Antony van Middelkoop
ABT bv
Naar aanleiding van de in 2011 ingestorte galerij-
platen in Leeuwarden zijn door heel Nederland
inspecties uitgevoerd op doorgestorte betonnen
galerij- en balkonplaten. Door verkeerde uitvoering
of corrosie van de wapening werd daarbij in veel
gevallen een verminderde draagkracht geconsta-
teerd. Er is een nieuwe versterkingsmethode
ontwikkeld die een oplossing biedt in situaties
waar andere versterkingssystemen niet wenselijk
zijn. Daartoe worden gaten in de kopse kant van
de uitkraging geboord, waarin vervolgens koolstof
wapeningsstaven tot in de achterliggende vloer of
randbalk worden verlijmd.
2
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
52
boren gebeurt met een watergekoelde, holle diamantboor. Door
het gebruik van water en een goede afzuiging is er geen stofont-
wikkeling. Daarbij geeft dit type boor weinig geluidsoverlast.
Verlijmen CFRP-bars
Om boorslurry te verwijderen, worden de gaten na het boren
gespoeld en geborsteld. Vlak voor het inlijmen worden de
gaten met perslucht uitgeblazen om de laatste resten te verwij-
deren. De epoxy wordt met een slang van achteruit het gat
aangebracht om een volledige vulling zonder luchtinsluiting te
garanderen. De CFRP-bars worden vervolgens in de met lijm
gevulde gaten gedrukt (foto 4). De vullingsgraad is bij een
goede uitvoering volledig, wanneer de lijm hierbij uit het
boorgat wordt gestuwd. Om ervoor te zorgen dat de CFRP-bar
volledig is omhuld door epoxy en gecentreerd in het gat wordt
geplaatst, zijn afstandhouders op de staaf aangebracht.
Onderzoeksfase
In de aanloop naar deze oplossingsmethode zijn verschillende
onderzoeken uitgevoerd. Eerst oriënterend om gedegen afwe-
gingen te kunnen maken in de boormethode en verlijming.
Vervolgens op werkelijke schaal om de capaciteit en het speci-
fieke faalmechanisme van het systeem vast te stellen en om
ervaring op te doen met de uitvoering. Hiertoe is een full scale
proefopstelling gebouwd die tot bezwijken is belast.
-
de herstelmethode mag niet zichtbaar zijn;
- geen onderhoudskosten na applicatie;
- geen schade aan dekvloer of coating van de uitkragende vloer
en voorkoming van bijkomende kosten;
- niet gevoelig voor chloride-aantasting.
De oplossing is gevonden in het boren van gaten in de kopse
kant van de uitkraging tot in de achterliggende randbalk of
vloer. De afwerking kan hierbij intact worden gelaten. In deze
gaten worden koolstof wapeningsstaven (CFRP-bars ofwel
carbon fibre-reinforced polymer) met epoxy verlijmd. CFRP is
niet gevoelig voor corrosie en heeft een hoge treksterkte waar -
door het aantal ankers kan worden beperkt. Doordat de werk-
zaamheden geheel aan de buitenzijde worden uitgevoerd (er
hoeft niet in de woning te worden gewerkt), is de overlast voor
de bewoners minimaal (foto 1).
Boorproces
Voor een dergelijke methode is een nauwkeurige uitvoering
essentieel. Er is daarom voor deze toepassing een boorinstal-
latie met geleider ontwikkeld, die het mogelijk maakt om over
een grote afstand gaten met een kleine diameter te boren in een
relatief dunne vloer (foto 3). De installatie wordt door middel
van een klemsysteem aan de uitkraging bevestigd. Het totale
boorsysteem weegt circa 52 kg waardoor er slechts een gering
inklemmingsmoment op de galerijplaat wordt uitgeoefend. Het
3
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
53
3 De boorinstallatie
4 Aanbrengen van de CFRP-bars
5 Goede positie en vulling boorgat
Om de gunstige invloed van de betontreksterkte op de
momentcapaciteit uit te sluiten, is eerst de belasting opgevoerd
tot het scheuren van de betondoorsnede. Vervolgens is de
opstelling ontlast en opnieuw belast om alleen de versterking
volledig te belasten tot bezwijken. Tussen elke belastingstap is
de vervorming gemeten (fig. 7). Na de proefbelasting zijn er
zaagsneden aangebracht over de lengte van de CFRP-bars.
Hierdoor is het mogelijk het bezwijkmechanisme en de
vullingsgraad te achterhalen.
Oriënterend onderzoek
Zowel de wand van het met diamant geboorde gat als de CFRP-
bars is relatief glad. Een goede aanhechting van de staaf met het
beton staat of valt met een geschikte lijm. De verwerkbaarheid
en sterkte van de lijmverbinding zijn daarbij de belangrijkste
parameters en zijn daarom voorafgaand aan verdere toepassing
uitvoerig onderzocht.
De lijm moet viskeus genoeg zijn om te worden aangebracht in
een boorgat van Ø20 mm met een maximale diepte van 2,5 m.
Echter mag deze niet te viskeus zijn omdat dan het risico op
wegvloeien van de lijm ontstaat. Dit heeft mogelijk een onvol-
ledige omhulling tot gevolg. Om een goede vullingsgraad te
bereiken, is geëxperimenteerd met verschillende lijmen,
cementgebonden mortels en vulmethoden. De cementgebon -
den mortels zijn hierbij afgevallen vanwege de geringe
aanhechting op de CFRP-bars. Het verdere onderzoek is
daarom uitgevoerd met verschillende epoxylijmen. Hierbij is
gebleken dat luchtinsluiting tijdens het inlijmen van de CFRP-
bars kan worden voorkomen door de gaten van achteruit met
een flexibele slang te vullen (foto 5).
Door het uitvoeren van diverse uittrekproeven op ingezande en
gladde CFRP-bars, verlijmd in beton, is bepaald welke combi-
natie van lijm en type staaf het meest geschikt is. Uit deze
proeven blijkt dat een specifiek voor CFRP ontworpen epoxy in
combinatie met de gladde CFRP-bar het meest geschikt is. De
ingezande staven bleken een grotere spreiding te vertonen in de
uittrekproeven. Dit is waarschijnlijk het gevolg van een onge-
lijkmatige verdeling van de zandkorrels op de staaf.
Full scale onderzoek
De kennis verkregen in de oriënterende fase is toegepast in een
onderzoek waarbij een werkelijke situatie is nagebootst en
beproefd. De opstelling voor deze proef is een betonnen plaat
van 4,0 m lang, 4,5 m breed en een dikte van 120 mm. Deze
afmetingen geven een goede benadering van bestaande situa-
ties. Aan beide zijden van de proefopstelling zijn uitkragingen
van 1,5 m gerealiseerd. Hierdoor konden twee proeven worden
uitgevoerd: een met een inboordiepte van 2,5 m (hierna proef 1)
en een met een diepte van 2,0 m (proef 2). Om het verster -
kingssysteem op zijn eigen capaciteit te testen, is de wapening
ter plaatse van het maximale steunpuntsmoment doorgeslepen.
Er zijn na het uitharden van het beton per proefzijde vier
CFRP-bars ingeboord op een hoogte van circa 75 mm. De
opstelling is beproefd door vier watercontainers te plaatsen op
de uitkraging. Door deze gelijkmatig te vullen, is de belasting
stapsgewijs opgebouwd (foto 6).
4
5
beton
CFRP-bar
epoxy
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
54
zakking [mm]
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120 0
12 345
proef 1
proef 2
6 Proefopstelling
7 Last-zakkingsdiagram proef 1 en 2 na scheuren
8 Waarschuwend vermogen van de constructie
CFRP-bar. De minimale trekcapaciteit is echter vastgesteld op
307 kN per CFRP-bar.
Gesteld kan worden dat naast het optreden van een zuivere
trekkracht ten gevolge van het uitwendige moment in de staaf,
ook een intern moment (over de dikte van de staaf ) optreedt.
Dit interne moment in de staaf is het gevolg van de kromming
die optreedt door de relatief grote doorbuiging van de galerij-
plaat vlak voor bezwijken.
Het gedrag van het systeem vertoont gelijkenis met het
ontstaan van een plastisch rotatiescharnier. Bij een plastisch
scharnier in een normaal gewapende betonvloer zal na het
bereiken van de vloeigrens een plastisch gebied ontstaan. De Bezwijkbelasting proef 1
De uiteindelijke bezwijkbelasting van proef 1 bedroeg 5,07 kN/m 2.
De doorbuiging aan het uiteinde van de galerij bedroeg circa
112 mm. Naast een behoorlijke overcapaciteit ten opzichte van
de normbelasting van 2,0 ? 1,5 = 3,00 kN/m
2 die minimaal
nodig is, blijkt dat de constructie zeer ductiel reageert. De gale-
rijplaat buigt eerst zichtbaar door en vertoont een zichtbare
scheur, voordat deze bezwijkt. De constructie 'waarschuwt'
hiermee (foto 8). Het zeer plotseling bros bezwijken zoals
gebeurde bij de Antillenflat in Leeuwarden, treedt niet op.
Bezwijkbelasting proef 2
Proef 2 is overeenkomstig proef 1 uitgevoerd met, zoals eerder
aangegeven, enkel het verschil in de inboordiepte. De uitkra-
ging van de galerijplaten bedroeg 1,5 m, waarmee de veranke-
ring van de staaf in de achterliggende vloerconstructie slechts
0,5 m bedroeg. De bezwijkbelasting van proef 2 was 5,50 kN/m
2,
de doorbuiging aan het uiteinde van de galerij circa 86 mm. De
optredende doorbuiging bij bezwijken in proef 2 is kleiner dan
in proef 1, de belasting daarentegen is hoger. De verschillen
leiden niet tot een ander type bezwijkmechanisme tussen proef
1 en 2.
Bezwijkmechanisme
Met een eigen gewicht van 2,88 kN/m 2 bedraagt het optredende
steunpuntsmoment net voor bezwijken bij proef 1 circa
4,5 ? 0,5 ? (5,07 + 2,88) ? 1,5
2 = 40,25 kNm/plaat. Met een arm
van 75 mm resulteert dat in een trekkracht van 135 kN per
6
7
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
55
Protocol
Het Platform Constructieve Veiligheid heeft in opdracht van
SBRCURnet een protocol opgesteld, naar aanleiding van het
ongeluk in de Antillenflat. Hierin staat hoe de veiligheid van
uitkragende galerijplaten moet worden beoordeeld en welke
maatregelen moeten worden genomen indien ze niet voldoen.
In 2014 is een tweede, herziene versie van dit protocol uitgeko-
men, op basis van ervaringen uit de praktijk. Over dit protocol
staat elders in deze editie het artikel 'Balkons en galerijplaten:
veilig genoeg?'. Dit artikel is ook op Cementonline te raadplegen.
lengte van dit plastische gebied L pl is afhankelijk van de ductili-
teit van het staal en van de druksterkte van het beton. De
toelaatbare plastische rotatie is het product van de kromming ?
en de plastische lengte L
pl, ?pl = ? pl ? L pl , zie [2].
In figuur 9 is een CFRP-bar na bezwijken doorgezaagd. Hier is
duidelijk te zien dat er splijtscheuren onder de CFRP-bar zijn
ontstaan. Deze scheuren zijn alleen direct onder de CFRP-bars
aangetroffen en zijn het gevolg van de gecombineerde trek-
spanningen door deuvelwerking en de hoge schuifspanningen
van de CFRP-bar.
Hoewel de CFRP-bar zelf geen plastisch gedrag kent, ontstaat
er door dit lokaal splijten wel een gebied waarover kromming
van de CFRP-bar kan optreden. Hiermee kan het niet-lineaire
gedrag van het systeem worden verklaard. Aan de hand van dit
mechanisme kan tevens worden gesteld dat bij een toenemende
betonsterkte het ontstaan van splijtscheuren pas bij een hogere
belasting optreedt. Hiermee zal het gebied waarover de krom-
ming kan optreden kleiner zijn en zullen de buigspanningen in
de staaf toenemen. De toelaatbare belasting zal daarom
afnemen bij een hogere betonsterkte.
Op basis van de restcapaciteit van de staafdoorsnede kan
worden bepaald welk intern moment in de staaf aanwezig
is geweest. Bij een zuivere trekkracht van 135 kN kan een
secundair moment in de staaf worden opgenomen van circa
0,301 kNm. Dit secundaire moment is bepaald met de formule
M = ? ? W, waarbij de resterende trekcapaciteit als spanning is
gekozen. Rekening houdend met de stijfheid en geometrie van de staaf,
resulteert dit in een equivalente plastische lengte van circa
62 mm. Die komt redelijk overeen met de in de proef gemeten
lengte van 75 mm. Het verschil kan worden verklaard doordat
de door de fabrikant opgegeven en in rekening gebrachte elasti-
citeitsmodulus lager is dan de gemiddelde waarde.
Ter indicatie zijn in figuur 9 de resultaten van een parameter
-
studie in DIANA weergegeven. Hierin zijn de optredende
scheurrekken en drukspanningen te zien. Deze blijken goed
overeen te komen met de werkelijke situatie en ondersteunen
de onderbouwing van het bezwijkmechanisme.
Het betreft een DIANA-model met zeer lage betontreksterkte.
Hierdoor kan een horizontale scheur ontstaan en het DIANA-
model bezwijkt feitelijk op dwarskracht. Omdat de dwarskracht
bij het ontstaan van wijde scheuren geheel door de drukzone
moet worden opgenomen, is onderzocht wat het effect is van
8
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
56
0
-0,05 -0,1
-0,15 -0,2
-0,25
hoekverdraaiing [rad]
0 20 40
60
80100
120
140160
180
proef 1
proef 2
NEN-EN 1992 klasse c
Muttoni
Muttoni aangepast
max. ankerkracht
ankerkracht [kN]
9
Bezwijkmechanisme
10 Rotatie-krachtdiagram proef 1 en 2 na scheuren
de rotatie op de dwarskrachtcapaciteit. NEN-EN 1992 geeft in
artikel 5.6.3 Rotatiecapaciteit een methode voor het bepalen
van de maximaal toelaatbare rotatie. Dit artikel houdt echter
geen rekening met de mogelijk ongunstige invloed van de
dwarskracht op de rotatiecapaciteit [3].
In figuur 10 is de optredende rotatie van de proefbelasting
uitgezet tegen de trekkracht in de CFRP-bar. In het diagram
is de toelaatbare rotatie volgens NEN-EN 1992 uitgezet. Tevens
is het resultaat van de in [3] voorgestelde vergelijking weerge-
geven, waarbij de invloed van de dwarskracht is verdisconteert
in de toelaatbare rotatie.
Deze vergelijking gaat echter uit van een plastische lengte van
1,93D en er is geen partiële factor in rekening gebracht. Door
de vergelijking aan te passen aan een equivalente plastische
lengte van 75 mm (zoals deze uit de proeven is gebleken) en
een partiële factor van 1,5 wordt een toelaatbare rotatie gevon-
den die vergelijkbaar is met de uitkomst die wordt gevonden
conform NEN-EN 1992. Gesteld kan worden dat bij een trek-
kracht van 75 kN in het anker, bezwijken op dwarskracht kan
worden uitgesloten.
Gepatenteerde methode
Vlak voor het bereiken van de uiterste bezwijkbelasting treedt
in de platen een duidelijk zichtbare vervorming op. Daarbij is
de scheurwijdte vlak voor bezwijken voldoende zichtbaar.
Hierdoor is er een groot waarschuwend vermogen van de
versterkte constructie. Bij veel inspecties blijkt dat slechts delen
van galerij- en/of balkonplaten niet voldoen. Voor een juiste
versterkingsgraad kan, afhankelijk van de spreidingscapaciteit,
het systeem ook lokaal worden toegepast.
Op basis van het uitgevoerde onderzoek kan worden gesteld
dat bij deze versterkingsmethode wordt voldaan aan vooraf
gestelde eisen als versterkingsgraad, esthetiek, omgevingshinder
en duurzaamheid. De methode is inmiddels gepatenteerd door
Vogel B.V. onder de naam VVUV-systeem (Verankeringssys-
teem Vogel voor Uitkragende betonnen Vloeren).
?
?
LITERATUUR
1 CUR-publicatie 248, Constructieve veiligheid van uitkragende beton-
platen. SBRCURnet, tweede, herziene uitgave, oktober 2014.
2 Roosmalen, H.A.Ph., CUR-rapport 108, Plastische scharnieren. Beton-
vereniging, Zoetermeer, 1982.
3 Vaz Rodrigues, R., Muttoni, A., Frenández Ruiz, M., Influence of Shear
on Rotation Capacity of Reinforced Concrete Members Without Shear
Reinforcement. ACI Structural Journal Vol. 105, No. 5 sept.-oct. 2010,
pp. 516-525.
9
10
werkelijke situatie
scheurrekken
drukspanningen
Innovatie versterkingsmethode balkons 5 2015
Reacties