C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gVer bindingencement 2004 628Verschillen in ontwerpaannamesen de wijze waarop verschillendeaspecten in de afzonderlijkenormen worden behandeld, zijnhet logische gevolg van de geschei-den ontwikkeling van de voor-schriften voor beton- en staalcon-structies. Deze verschillenkwamen aan het licht tijdens hetontwikkelen van de Eurocodes enhet omzetten van de Europesevoornormen in definitievenormen. Aangezien de Eurocodesniet alleen als doelstelling hebbende verschillen tussen de deelne-mende landen te willen opheffen,maar ook de materiaalnormen teharmoniseren, is het noodzakelijkzo snel mogelijk inconsistentiesop te sporen en oplossingen voorverbetering aan te dragen. Ook inde Nederlandse voorschriften zijnechter dergelijke inconsistentiesaanwezig en is harmonisatie opzijn plaats. In [1] is al daaropgewezen en met het zeer recentgepubliceerde wijzigingsblad A3[2] voor de VBC 1995 is daaraaneen bijdrage geleverd.D e t a i l l e r i n g v a nv e r b i n d i n g e nHet aantal mogelijke vormgevin-gen van verbindingen is heel grooten afhankelijk van de soortenonderdelen die met elkaar moetenworden verbonden. Het gaat in ditartikel te ver om een uitputtendeverhandeling hierover te geven.We beperken ons tot enkele veel-voorkomende details.KolomplaatEen van de meest bekende aan-sluitingen is die van een stalenkolom op een betonnen fundering(foto 1, fig. 2). De stalen kolom isgelast op een stalen voetplaat, diemet ankers aan de betonnen fun-dering is bevestigd. Deze ankerskunnen vooraf zijn ingestort ofachteraf in de fundering wordenaangebracht.Ingestorte ankers worden somsvoorzien van een ruime cilindri-sche of conische huls, zodat depositie van het anker nog wat kanworden gecorrigeerd. Ook zijn devoetplaten meestal voorzien vanruime gaten en dikke volgplaten,om het positioneren van de ko-lomvoet te vergemakkelijken.Achteraf aangebrachte ankershebben het voordeel dat ze vrijnauwkeurig in verhard betonkunnen worden aangebracht.Hiertoe behoren onder meerspreidankers, achterinsnijdendeankers en lijmankers.Stalen balken aan betonwanden of?kolommenDe stabiliteit van een meerlaagsestaalconstructie wordt dikwijls ver-zorgd door een stijve betonnenVerschillen in benadering belemmeren vooralsnog optimale toepassingHoe sterk is het koppelbeton ? staal?prof.ir. J.W.B. Stark, TU Delft, faculteit CiTGprof.dr.ir. D.A. Hordijk, Adviesbureau ir. J.G. Hageman BV/TU Eindhoven,faculteit BouwkundeVan oudsher kunnen in de constructieve wereld de twee kampen `beton' en`staal' worden onderscheiden. Deze situatie is evenwel gelukkig snel aan hetveranderen. Steeds meer wordt onderkend dat aan beide materialen voor- ennadelen kleven en dat een optimale oplossing dikwijls eerder gevonden wordtbij een gecombineerde toepassing. Daarvoor zijn verbindingen tussen beton-nen en stalen onderdelen noodzakelijk. Deze verbindingen worden echter(rekenkundig/normatief) veelal nog ontworpen vanuit een van beide materi-aalperspectieven, terwijl een integrale benadering juist winst zou kunnenopleveren. Gepleit wordt daarom voor een verdere harmonisatie van ont-werpnormen, zodat de ontworpen verbinding zo optimaal mogelijk kan aan-sluiten aan zowel het betonnen als het stalen deel van de constructie.voetplaatankerondersabeling1, 2 | Typisch detail vanaansluiting stalenkolom op betonnenfunderingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gVer bindingencement 2004 6 29kern. Stalen vloerbalken zijn danverbonden met betonnen kern-wanden. Om voldoende brandwe-rendheid te verkrijgen wordensoms (prefab) betonkolommentoegepast in plaats van stalenkolommen met brandwerendebekleding. Foto 3 laat een verbin-ding zien zoals toegepast in eenrenovatieproject waar nieuwestalen vloerbalken met een uitste-kende kopplaat zijn bevestigd aanbestaande betonkolommen.Een groot aantal soorten verbin-dingsdetails is hier in feite moge-lijk. De keuze voor de meestgeschikte oplossing hangt af vande volgende overwegingen:? uitvoeringsfasering;? fabricagemethode van kern ofkolom;? toleranties in zowel beton alsstaal;? mogelijke belastingen (dwars-kracht, normaalkracht, moment);? statische of variabele lasten;? omkeerbaarheid van belasting;? vrijheidsgraden van beweging;? vereiste statische eigenschappen(sterkte, stijfheid en vervor-mingscapaciteit);? gedrag onder verhoogde tempe-ratuur ten gevolge van brand.Stalen overdrachtsconstructie inhoogbouwIn sommige constructies moetendoor de ontwerper projectgebon-den oplossingen worden bedacht.Foto's 4 en 5 tonen een stalenoverdrachtsconstructie (`outrig-ger') in een hoogbouwproject. Destalen overdrachtsconstructiemoest worden verbonden aan eenbetonnen kern en een staal-beton-kolom.V o o r s c h r i f t e nDe Europese Voorschriftenorga-nisatie CEN (Comit? Europ?en deNormalisation) is een completeset geharmoniseerde EuropeseBouwnormen aan het te ontwik-kelen. Deze set omvat voorschrif-ten voor betonnen, stalen ?nstaal-betonnen gebouwen enbruggen. De Eurocodes, ofwel deontwerpvoorschriften, makendeel uit van dit complete systeemvan Europese voorschriften,tezamen met normen voor fabri-cage en montage en productnor-men. Na een proefperiode alsENV (Europese Voornorm)worden deze omgezet (conversie)naar EN (Europese Norm).Het Eurocode-programma heefttwee doelstellingen met betrek-king tot harmonisatie:1. harmonisatie over de grenzenvan de Europese landen heen;2. harmonisatie tussen de ver-schillende constructiemateria-len en -methoden, gebouwtypesen civiele werken, zodanig datde verschillende Eurocodes vol-ledig consistent en vergelijk-baar met elkaar zijn en verge-lijkbare veiligheidsniveausnastreven.Vooral dat laatste is in dit verbandrelevant. Een ontwerper van een`gemengde' constructie heeft temaken met alle in tabel 1 ver-melde Eurocodes. Een snelle blikin de hier genoemde voorschrif-ten leert dat hij niet veel gedetail-leerde regels beschikbaar heeftdie specifiek betrekking hebbenop aansluitingen tussen betonnenen stalen elementen. Daar komtoverigens verandering in, want erwordt sinds enkele jaren ookgewerkt aan een Eurocodedeelvoor bevestigingen aan beton [3].Op basis van een conceptversie ishet de verwachting dat de inhoudvan [3] in grote lijnen overeen zalkomen met de berekeningsme-thode voor ankers in beton dieeerder door een CEB-werkgroep isontwikkeld [4] en de berekenings-methode die als Annex bij deEuropese Goedkeuringsrichtlijnvoor ankers in beton [5] is opgeno-men. Deze beide documentenhebben ook als basis gediend voorde huidige versie van CUR-Aanbe-veling 25 [6]. Dit betekent dathoofdzakelijk aandacht wordtbesteed aan de belastingover-dracht in het beton. Voor het3 |Stalen balken opgehan-gen aan betonnen kolomTabel 1 | Voor `gemengde' constructies relevante Eurocodesmateriaal norm onderwerpAlgemeen EN 1990 Basisgegevens voor ontwerp" EN 1991-1 Belastingen op constructiesBeton EN 1992-1-1 beton ? algemeen en gebouwenStaal EN 1993-1-1 staal ? algemene regels" EN 1993-1-8 staal ? ontwerpen van verbindingen" EN 1993-3 staal ? gebouwenComposiet EN 1994-1-1 Composiet staal en beton ? algemeen en gebouwencomposietkolom`outrigger'betonnen kern4, 5 | Stalen overdrachts-constructie in hoog-bouwprojectC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gVer bindingencement 2004 630ontwerp van de andere aansluiton-derdelen, bijvoorbeeld een voet-plaat, wordt de ontwerper evenweldoorverwezen naar de van toepas-sing zijnde ontwerpnorm.V o o r b e e l d e n v a ni n c o n s i s t e n t i e sDe ankerstaaf is het onderdeel vande verbinding dat zich zowel in debetonconstructie bevindt alsookonderdeel is van de aansluitendestaalconstructie. Het is dan ookniet verwonderlijk dat de sterkte-berekening voor dit onderdeelzowel in de beton- als staalnorm isopgenomen. Voor de Nederlandsenormen is in [1] getoond tot welkeverschillen dit leidt. Dat de werke-lijke sterkte van de ankerstaaf zicher niets van aantrekt of deze zichin het beton of erbuiten bevindt,moge duidelijk zijn. Inmiddels isvoor de Nederlandse situatie dezeinconsistentie weggenomen doorin het wijzigingsblad voor de VBC1995 [2] voor de bepaling van desterkte van de ankers (art. 9.16.2)te verwijzen naar de staalnormen.Zoals eerder vermeld worden inEurocode 2 (beton) [7] verbindin-gen niet behandeld en wordt ergewerkt aan een apart deel voorankers in beton [3]. Als voorenkele aspecten de regels uit Euro-code 3 (staal) [8] met deCEB/EOTA Guidelines [4,5]worden vergeleken dan komt ookeen aantal inconsistenties naarvoren. Naast een verschil in bere-kende sterkte voor het anker zelf,betreft dat bijvoorbeeld de voet-plaatverbinding.V o e t p l a a t v e r b i n d i n gDe voetplaatverbinding van eenkolom is waarschijnlijk de meestvoorkomende verbinding tussenbeton en staal. In het verleden isdoor de staalwereld behoorlijkwat onderzoek naar het construc-tieve gedrag uitgevoerd. Dezeonderzoeksactiviteiten richttenzich voornamelijk op de sterkteen stijfheid van de stalen voet-plaat, terwijl voor het gedrag vanhet beton onder geconcentreerdebelastingen gebruik werdgemaakt van kennis die werd aan-geleverd door de betoncollega's.Voor belasting op trek moetenankers worden aangebracht. Voorde verankering daarvan wordt ver-wezen naar Eurocode 2. Dat bete-kent dat de verankering zodanigmoet zijn, dat het staal eerdervloeit dan dat het anker bezwijkt.Er is dan sprake van een veranke-ring volgens de gewapend-beton-techniek. Met de bevestigings-techniek van relatief korte ankerskunnen andere bezwijkmechanis-men optreden (uittrekken vaneen betonkegel, uittrekken vanhet anker en splijten van beton).De lengte van korte ankers isnormaal gesproken ongeveer tienkeer de diameter, terwijl voor deverankering van wapeningsstaalvolgens de normen lengtes van 20tot 30 d zijn vereist, afhankelijkvan dekking en betonsterkte.Stijfheid voetplaat en lastspreidingankersIn [4] wordt een verschil gemaakttussen een elastische en een plas-tische ontwerpbenadering. Deplastische benadering is enkelacceptabel als het anker voldoendevervormingscapaciteit heeft. Voorkorte ankers met een hoge staal-sterkte is dit vaak niet het geval.Bovendien wordt in veel gevallenhet draagvermogen van betongereduceerd door randeffecten vanhet betonelement. Ook dit maaktdat het vereiste voor de plastischebenadering niet wordt gehaald.Voor een elastische benadering ishet noodzakelijk dat de bevesti-ging niet vervormt onder de ont-werpbelastingen. Aangenomenmag worden dat dit het geval iswanneer de voetplaat star is en invol contact met het beton of metde ondersabeling. Bovendien magde voetplaat star worden veronder-steld wanneer de maximum staal-spanning onder de ontwerpbelas-tingen fyk/Ms(met Ms= 1,1) nietoverschrijdt. Naar verwachting zalaan deze eis in de praktijk nietaltijd worden voldaan of in veelgevallen zelfs niet worden gecon-troleerd. De ontwerprichtlijn voorankers in beton [4] is op dit onder-deel vrij beperkt, wat logisch isaangezien het document hoofdza-kelijk gaat over de belastingover-dracht in het beton.Volgens [4] is het gebruik vanflexibele platen toegestaan, voor-opgesteld dat rekening wordtgehouden met de niet-lineaire6 |Rembrandttoren inAmsterdam; nog altijdgebruikt als `schoolvoor-beeld' van gemengdestaal-betonnen stabili-teitsconstructie7 |Rembrandttoren: stalenbokconstructie op bega-ne-grondniveauC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gVer bindingencement 2004 6 31belastingverdeling over de ankersen met zogenoemde wrikkrachtendie kunnen optreden.D w a r s k r a c h t s t e r k t e e nb i j d r a g e v a n w r i j v i n gVolgens [4] en de CUR-Aanbeve-ling 25 [6] is voor voetplaten meteen ondersabeling dikker dan 3mm een plastische benaderingniet toegestaan, moeten wrijvings-krachten onder de voetplaatworden verwaarloosd en moet dedwarskrachtcapaciteit wordenbepaald voor het mechanisme`afschuifkracht met hefboomarm'.Voor kolomvoeten wordt door-gaans een ondersabeling van meerdan 3 mm toegepast. Alhoewelwordt onderkend dat er onzeker-heden zijn over de sterkte en kwa-liteit van de ondersabeling, zal deCEB-methode zeer conservatiefzijn in veel praktijkgevallen. Dat isbevestigd in een onderzoek datontwerpwaarden vergeleek metproefresultaten voor kolomvoetenbelast op afschuiving en met eenvariabele ondersabelingsdikte[9,10].In het bijzonder bij lagesterkteankerbouten en een dikke onder-sabelingslaag (60 mm) was deexperimenteel verkregenmaximum afschuifbelasting velemalen (10 tot 25) groter dan deberekende karakteristiekeafschuifsterkte van de verbinding.T e n s l o t t eBeton en staal komen elkaar in dedagelijkse bouwpraktijk zeer vaaktegen. Wanneer het staal volledigdoor het beton wordt omhuld ?zoals het geval is bij gewapendbeton ? wordt de interactie tussenbeide materialen naar behorenbehandeld. Zodra beton en staalechter in een gemengde construc-tie aan elkaar worden gekoppeld(foto's 6 t.m. 8), heeft de con-structief ontwerper weinig goederekenregels ter beschikking. Hetwordt tijd dat de werelden staalen beton, de grenzen tussenbeide slechten en gaan bijdragenaan een integrale ontwerpaanpakvoor de verbindingen. L i t e r a t u u r1. Hordijk, D.A. en R. Sagel,Korte ankers in beton (III);Toelichting op CUR-Aanbeve-ling 25 (tweede, herzieneuitgave). Cement 2000, nr. 42. Wijzigingsblad NEN 6720/A3,juli 2004.3. Design of fastenings for use inconcrete, werkdocument vanCEN TC 250/SC 2/WG 2.4. CEB-Bulletin no. 233, Designof Fastenings in Concrete.CEB Guide ? Part 1 to 3,Thomas Telford, januari 1997.5. Guideline for European Tech-nical Approval of Anchors(metal anchors) for use in con-crete. Annex C "Designmethods for anchorages",oktober 2001.6. CUR-Aanbeveling 25, Korteankers in beton; berekeningen uitvoering. Tweede, her-ziene uitgave. CUR enBouwen met Staal, juni 2000.7. prEN 1992-1, Eurocode 2:Design of Concrete Structures? Part 1: General rules andrules for Buildings. CEN, 2nddraft, januri 2001.8. ENV 1993-1-1: 1992, Eurocode3: Design of steel structures ?Part 1-1: General rules andrules for Buildings. CEN, april1992.9. COST C1, Column bases insteel building frames. ECCStechnical Working Group 10.2`Semi-rigid connections' andCOST C1 WG2, februari 1999.10. Bouwman, L.P., A.M. Gresnigten A. Romeijn, Onderzoeknaar de verbinding van stalenvoetplaten aan betonnen fun-deringen. Stevin rapport25.6.89.05/c6, 1989.T w e e d e l i n g i n d e p r a k t i j kDe meeste ingenieursbureaus hanteren inmiddels de filosofie dat hun con-structeurs met beide materialen staal en beton evengoed overweg moetenkunnen. Desondanks is er in de praktijk nog altijd sprake van een tweede-ling in betonconstructeurs en staalconstructeurs. Dit komt mede doordat inhet geval van een in het werk gestorte betonconstructie de constructief ont-werper meestal het gehele ontwerp maakt, terwijl in het geval van een con-structie in prefab beton of staal de constructief ontwerper zich beperkt tothet algemeen ontwerp; het detailleren, inclusief ontwerpen van de verbin-dingen, wordt meestal overgelaten aan de leverancier van de constructie ofaan een gespecialiseerd bureau.8 | Rembrandttoren: stalenbalken opgelegd opbetonnen kern