52 thema Trekelementen in onderwater- betonvloeren 1 Onderzoek naar bezwijkvorm en draagvermogen thema trekelementen in onderwaterbetonvloeren 3 2013 53 750300 300 20 200 500 500 470 530 590 in R 2 in R 1 2720 kN 1867 kN 2023 kN 923 kN 1797 kN 1110 1110 210 210 oplegvlak t.b.v. belastingframe 300sparingen t.b.v. voorspanstaaf Ø32 3450 5x600 2000 3450 5x600 2000 R2 R1 2600 425 425 200 320 820 of 1070 320 250 350 820 425 425 2600 500 500 of 750 Voor beneden het maaiveld gelegen constructies wordt vaak een bouwkuip toegepast. Deze wordt aan de zijkanten begrensd door damwanden en aan de onderzijde waterdicht afgesloten met een onder-waterbetonvloer, een betonvloer die onder water wordt gestort. Nadat de onderwaterbetonvloer is verhard, kan de bouwkuip worden leeggepompt. Nieuwe ontwikkelingen en rekenmethoden hebben ervoor gezorgd dat de onderwaterbetonvloeren steeds slanker kunnen worden gedimensioneerd [2]. Dat heeft ertoe geleid dat de verankering van de trekelementen in de vloer de zwakste schakel kan worden. In rekenregels is daarom ook aangegeven hoe de uittrekkracht van (geprofileerde) heipalen en trekankers met een schotelverbinding moet worden berekend [2]. Nume- rieke simulaties hebben aanleiding gegeven tot vragen over de theoretische bezwijkveiligheid van de verankering van de trek- elementen in de vloer [3]. De toenmalige Bouwdienst Rijkswaterstaat heeft in 2002 dan ook een onderzoeksprogramma gedefinieerd waarin het bezwijkgedrag van de verbinding van een verticaal trekelement (betonpaal of trekanker) en een onderwaterbetonvloer wordt onderzocht. Het programma omvat zowel experimenteel onderzoek als numerieke simulaties. Het experimentele deel van het onderzoek is uitgevoerd in het Stevinlaboratorium van de TU Delft. Hierin staat de capaciteit in de uiterste grenstoe- stand van de verbinding centraal. Negen experimenten op schotelankers zijn uitgevoerd. Daarna is overgegaan op het beproeven van over de gehele vloerdikte ingestorte betonpalen met tweezijdig inwendige of uitwendige ribbels (zes experimenten). Doel van het hier beschreven experimentele onderzoek was, het vaststellen van de maximale trekkracht die op de ankers kon worden uitgeoefend, het vastleggen van het vervormingsgedrag van de vloer, het bezwijkmechanisme en het bezwijkbeeld. Materiaal en methoden Betonvloer en uitwendige voorspanning De onderzochte betonvloer is weergegeven in figuur 2 en foto 3. De vloer is met 20 niet-gespannen voorspanstaven verankerd aan de laboratoriumvloer, zodat de ongewapende betonvloer na afloop van een experiment met een vijzel in stukken kan worden gebroken en afgevoerd. Het bovenaanzicht toont de vier oplegvlakken van het belastingsframe. De bovenste dwars- doorsnede geeft de positie van het anker met de schotel. De tweede dwarsdoorsnede toont de paal met ribbels. De drie andere dwarsdoorsneden geven de grootte en werklijnen van de uitwendige voorspanning, voor respectievelijk: Om de bezwijkveiligheid van verankeringen van trekelementen in onderwaterbetonvloeren te kunnen vaststellen, is experimenteel onderzoek uitgevoerd naar het bezwijkgedrag van deze verbindin- gen. Het programma omvat zowel experimenteel onderzoek als numerieke simulaties. De resultaten van het onderzoek zijn gebruikt bij de recente herziening van CUR-Aanbeveling 77. dr.ir.drs. René Braam TU Delft, fac. CiTG, Adviesbureau ir. J.G. Hageman BV dr.ir. Cor van der Veen TU Delft, fac. CiTG dr.ir. Ane de Boer Rijkswaterstaat-GPO 1 Nadat een bouwkuip is drooggepompt, steken de staven van schotelanker- trekelementen boven een onderwaterbetonvloer uit; de staven worden later met schotelankers ook nog aan de constructieve vloer verbonden 2 Afmetingen van de proefstukken (in mm), locatie van anker met schotel of paal met ribbels en, indien van toepassing, aangrijpingspunten en grootte van de uitwendige voorspanning 2 trekelementen in onderwaterbetonvloeren 3 2013 54 3 Proefopstelling met schotelanker ingestort in een betonvloer. De betonvloer is daarna in één richting voorgespannen ? de 750 mm dikke vloer met eenzijdige voorspanning (richting R 1); ? de 500 mm dikke vloer met eenzijdige voorspanning (richting R 1); ? de 500 mm dikke vloer met tweezijdige voorspanning (richting R 1 en R 2). De centrische voorspanning komt overeen met een gelijkmatig verdeelde betondrukspanning van 1,36 MPa (50% van de gemiddelde korteduurbetontreksterkte op het moment van beproeven, bijvoorbeeld: 2720 kN : (3450 . 820 ? 2600 . 320) mm 2). Schotelankers Precies in het midden van de vloer is het trekelement geplaatst. Het schotelanker is een Gewi-staaf 63.5 S555/700 (fig. 2 en 4). Onder aan de staaf zijn een schotel en moer type 63.5 T 2183 G geplaatst (diameter schotel 350 mm). De karakteristieke onder - grens van de vloeikracht van het anker is 1758 kN. De beton- dekking op het vlakke gedeelte van de bovenkant van de schotel is 300 mm als de totale vloerdikte 500 mm is. Bij een vloerdikte van 750 mm is die afstand gelijk aan 550 mm. Om bij een vloerdikte van 750 mm de vloeikracht van het anker bij bezwijken van het beton niet te overschrijden, zijn deze beton- vloeren in één richting voorgespannen. Bij een vloerdikte van 500 mm is het anker niet maatgevend en kan in twee richtingen worden voorgespannen. Palen met ribbels Tevens zijn drie series betonpalen met tweezijdig minimale en maximale, inwendige (serie 2, resp. 3) en minimale, uitwendige ribbels beproefd (serie 1) (fig. 5). De paalstukken hebben een lengte van 550 mm. Zij zijn ingestort over 500 mm (20 mm steekt boven de betonvloer uit; 30 mm steekt er onder uit). CUR-publicaties Het ontwerpen van grootschalige betonconstructies vereist specifieke kennis en ervaring. NEN 6720, de 'VBC' [1], was vooral gericht op standaardconstructie- elementen in de B&U-sector en is als zodanig veelal beperkt toepasbaar. Ten behoeve van de berekening en detaillering van ongewapende onderwaterbeton- vloeren heeft CUR-Programma-Adviescommissie 16 'Grootschalige Betonconstruc - ties' in 1997 dan ook het advies gegeven om regels op te stellen. CUR-rapport 56 'Onderwaterbeton' en CUR-rapport 102 'Gewapend onderwaterbeton' zijn twee van de rapporten die aanvullend op NEN 6720 konden worden gebruikt. De bevin- dingen zijn neergelegd in de herziene versie van CUR-Aanbeveling 77 [2]. 3 thema trekelementen in onderwaterbetonvloeren 3 2013 55 550100 450 100 100 39,2 35,8 115 10 1 3 2 31 2 100 100 100 200300 115 35,8 39,2 10 10 50 70 3030 550 250 250 25 serie 1 serie 2 50 serie 3 250 35 25 30 30 15 15 550 4 Positie van de schotel bij een vloerdikte van 750 mm (links) en 500 mm (rechts) (mm) (1, 2, 3: posities van thermokoppels voor het voorspellen en berekenen van de betontreksterkte op het moment van beproeven) 5 Dwarsdoorsnede over de ribbels voor de drie onderscheiden typen betonpa- len (dimensies in mm.) Serie 1: minimale, uitwendige ribbels; serie 2: minimale, inwendige ribbels; serie 3: maximale, inwendige ribbels Palen met ribbels De proefstukken zijn in twee richtingen voorgespannen. De palen zijn 'hol' uitgevoerd en worden van 'onderaf ' door een trekelement met kopplaat door het proefstuk heen geduwd. Na het bereiken van de maximale belasting worden geleidelijk de contouren van een pull-out conus aan het bovenoppervlak van het beton zichtbaar. Uiteindelijk wordt de betonpaal met omhullende betonconus uit de betonvloer getrokken (foto 7). De betonvloer vertoont zelf verder geen uitwendig zichtbare scheurvorming. Er is geen sprake van lokaal afschuiven op de grenslaag betonpaal ? betonvloer. Het bezwijkbeeld wordt 'pull-out' genoemd, zie ook tabel 2. Resultaten Schotelankers Bij acht van de negen proefstukken (no. 1 t.m. 8) scheurt het proefstuk in twee stukken ten gevolge van het ontstaan van een dwarsscheur. Op dat moment wordt de maximale belasting bereikt. Bij de in één richting voorgespannen varianten is de richting van de dwarsscheur evenwijdig aan de richting van de voorspanning. Eén proefstuk (no. 9; de in twee richtingen voorgespannen variant) vertoont die uitwendige scheurvor - ming niet: na het bereiken van de maximale belasting worden geleidelijk de contouren van een pull-out conus aan het bovenoppervlak van het beton zichtbaar. Uiteindelijk is de schotel met omhullende betonconus uit de betonvloer getrokken (foto 6). De betonvloer vertoont zelf verder geen uitwendig zichtbare scheurvorming. De twee bezwijkbeelden worden respectievelijk 'splijten ? pull- out' en 'pull-out' genoemd, zie ook tabel 1. Tabel 1 Kenmerken en resultaten van uittrekproeven met schotelankers n r. type Fmax [kN] bezwijkbeeld max. uittrekkracht experiment/theorie [-] 2 7 8 3 4 5 1 6 9 750 mm vloer 550 mm dekking geen voorsp. 750 mm vloer 550 mm dekking eenzijdige voorsp. 500 mm vloer 300 mm dekking eenzijdige voorsp. 500 mm vloer 300 mm dekking tweezijdige voorsp. 1678 1673 1689 1692 1700 1683 1030 1006 1172 splijten ? pull-out splijten ? pull-out splijten ? pull-out splijten ? pull-out splijten ? pull-out splijten ? pull-out splijten ? pull-out splijten ? pull-out pull-out 0,69 0,73 0,75 0,72 0,71 0,64 1,06 1,05 1,29 4 5 trekelementen in onderwaterbetonvloeren 3 2013 56 6 Pull-out conus van proefstuk 9 met schotelanker uittrekkracht 29% groter dan de theoretische, maximale uittrek- kracht. Als opensplijten van het proefstuk echter niet wordt verhinderd (nr. 1 en 6), is het verschil nog slechts 5 tot 6%. Bij een betondekking op de schotel van 550 mm is de experi- menteel gevonden uittrekkracht (proefstukken 2-5, 7 en 8) gemiddeld genomen gelijk aan 71% van de theoretische uittrek- kracht als opensplijten van het proefstuk kan optreden. Zou in twee richtingen zijn voorgespannen, dan zou de bezwijkkracht zeker groter zijn geweest. In de CUR-Aanbeveling 77 wordt nog een bezwijkkracht beschreven, namelijk het verbrijzelen van het beton op het draagoppervlak van de schotel. De toelaatbare drukspanning is 70% van de kubusdruksterkte; het draagoppervlak is het oppervlak van de schotel minus de doorsnede van de anker - staaf. Voor alle proefstukken is de hieruit volgende kracht niet maatgevend. Palen met ribbels Bij alle proefstukken met palen treedt bezwijken op door pull- out. Volgens CUR-Aanbeveling 77 geldt voor de uittrekkracht van een betonpaal [2]: Fu = 0,8 f b n D ( h ? ar ) Met: f b rekenwaarde van de langeduurwaarde van de karakteris- tieke ondergrens van de betontreksterkte n het aantal van ribbels voorziene vlakken (hier: n = 2) D dwarsafmeting palen (hier: 250 mm) h vloerdikte (hier: 500 mm) a r ribbelafstand (hier: 120 mm voor de palen met minimale ribbels; 90 mm bij maximale ribbels) In deze uitdrukking is 0,8 f b het 'betonaandeel'. Voorgaande uitdrukking is gebaseerd op bezwijken door afschuiven over de ribbels. In tabel 2 zijn de experimenten en de theorie vergeleken. De theorie blijkt voor alle proefstukken de Evaluatie bezwijkbeeld en draagvermogen Schotelankers Volgens CUR-Aanbeveling 77 is van toepassing voor de uittrekkracht van een ponskegel [2]: F u = 0,8 f b ? h ( d schotel + h ) Met: fb rekenwaarde van de langeduurwaarde van de karakte- ristieke ondergrens van de betontreksterkte h hoogte ponskegel d schotel diameter van het schotelanker (350 mm) In deze uitdrukking is 0,8 f b het 'betonaandeel'. In tabel 1 zijn de experimenten en de theorie vergeleken. Daaruit blijkt dat voor de proefstukken met een dekking op de schotel van 550 mm (nrs. 2, 7, 8, 3, 4 en 5), de experimenteel gevonden maximale uittrekkracht kleiner is dan de theoreti- sche bezwijkkracht bij optreden van het pull-out mechanisme. Het bezwijken van de proefstukken is echter vroegtijdig inge- leid door opensplijten van het proefstuk. Bij een betondekking op de schotel van 300 mm is bij proefstuk 9 (pull-out mechanisme) de experimenteel gevonden maximale Tabel 2 Kenmerken en resultaten van uittrekproeven met palen met ribbels n r. type ribbels betonpaal F max[kN]bezwijk - beeld max. uittrekkracht experiment/theorie [-] Serie 1-1 Serie 1-2 Serie 2-1 Serie 2-2 Serie 3-1 Serie 3-2 minimaal inwendig 500 mm vloerdikte minimaal uitwendig 500 mm vloerdikte maximaal inwendig 500 mm vloerdikte 2483 2373 2399 2329 2421 2179pull-out pull-out pull-out pull-out pull-out pull-out 6,6 8,0 7,4 7,5 7,6 7,3 6 thema trekelementen in onderwaterbetonvloeren 3 2013 57 7 Pull-out conus van proefstuk met paal met ribbels pull-out kracht aanzienlijk te onderschatten. De theoretische waarde is gemiddeld slechts circa een zevende van het expe- rimenteel gevonden resultaat. Hierbij moet worden opgemerkt dat bij het toepassen van ribbels op alle vier in plaats van op twee zijvlakken van de palen er geen hogere, maximale krachten bij de experimenten mogen worden verwacht. Bij ribbels op twee zijvlakken is in de experimenten al een volledige bezwijkconus tot ontwikkeling gekomen. De theorie geeft echter met n = 4 ten opzichte van n = 2 een verdubbeling van de uittrekkracht. Dan resteert echter nog een verhouding van 6,6 : 2 = 3,3 en 8,0 : 2 = 4,0 tussen het verwachte experimentele resultaat en de theorie. De aard van de ribbelgeometrie (inwendig, dan wel uitwendig) heeft geen significante invloed op de grootte van de bezwijk- kracht. Bij het toepassen van maximum inwendige in plaats van minimum inwendige ribbels neemt de bezwijkkracht met 9% toe. Het lijkt gerechtvaardigd te stellen dat het bezwijkmodel dat ten grondslag heeft gelegen aan de uitdrukking voor de uittrekkracht als gepresenteerd in CUR-Aanbeveling 77, het werkelijk optredende bezwijkgedrag niet correct weergeeft en tot een aanzienlijke onderschatting van de werkelijke uittrekkracht leidt. Conclusies Bij zowel een schotelanker als een paal met ribbels treedt bezwijken op door het ontstaan van een pull-out conus. Het bij de schotelankerproeven voortijdig doorscheuren van de vloer reduceert de bezwijkkracht. Een stempeldruk en/of de opslui- tende werking van naastgelegen vloerdelen voorkomen het doorscheuren en daarmee het voortijdig bezwijken. De theorie van de pull-out conus is geschikt om de bezwijkkracht van beide typen trekelementen te beschrijven. In de nieuwe CUR-Aanbeveling 77 zal de theoretische formule- ring worden aangepast aan het opgetreden bezwijkpatroon (conus). Ook wordt dan de overstap naar de Eurocode-theorie en formuleringen gemaakt. ? CUR-Aanbeveling 77 CUR-Aanbeveling 77 ? 'Rekenregels voor onge- wapende onderwaterbetonvloeren' wordt momenteel herzien (zie artikel 'Herziening CUR-Aanbeveling 77 (1)'). Deze versie zal beschikbaar komen op www.cementonline.nl (voor leden) en www.cur-aanbevelingen.nl . De huidige versie is alleen beschikbaar op www.cur-aanbevelingen.nl . ? LiteRAtuuR 1 NEN 6720: Voorschriften beton TGB 1990, Construc - tieve eisen en rekenmethoden (VBC 1995), CUR, Gouda / NNI, Delft, 2e druk 1995. 2 CUR-Aanbeveling 77: Rekenregels voor ongewapende onderwaterbetonvloeren, CUR, Gouda, 2001. 3 Kwaaitaal, G.J.J., Krachtswerking en scheurvorming in onderwaterbetonvloeren, Rapport BSRAP-R-01023, Bouwdienst Rijkswaterstaat, juli 2001. 7 Het in dit artikel beschreven onderzoek is mede geïnitieerd door ing. Aaldert Zeilmaker, destijds medewerker Rijkswaterstaat, nu werkzaam bij Royal HaskoningDHV en lid van de commissie die verantwoordelijk is voor het herzien van CUR-Aanbeveling 77. trekelementen in onderwaterbetonvloeren 3 2013