themaGewelven met BetonBallon4200916themaGewelvenmet BetonBallonMet de zogenoemde BetonBallon kunnen gewelven of schalen op eeneconomische manier in het werk worden gerealiseerd. Als bekisting wordteen grote voorgevormde ballon toegepast. Eind oktober 2008 is op decampus van de TU Eindhoven een eerste prototype gebouwd. Mede doorminimaal materiaalgebruik blijkt het een duurzame bouwmethode.1Op een voorgevormde ballon van PVC-gecoat polyesterweefselwordt eerst een dunne laag spuitbeton aangebracht, die zich opde ballon vastzet. Daarna wordt de schaal laagsgewijs opge-bouwd (foto 2 t.m. 4). Afhankelijk van de afmetingen van deschaal varieert de dikte van 60 mm in de top tot ongeveer200 mm aan de voet. Door te werken met hoogwaardig betonmet versnellers, plastificeerders en fijne toeslagstoffen wordtvoorkomen dat het beton na het opspuiten wegglijdt. Naverharding van de betonmortel laat men de ballon leeglopen.Deze kan weer worden hergebruikt voor een andere schaal.Met de bouwmethode kunnen op industriële wijze dunneDuurzame bouwmethode dankzij materiaalbesparing16_19_3_betonballon.indd 16 11-06-2009 18:57:11Gewelven met BetonBallon 1742009betonschalen worden gebouwd. De methode is bedacht doorRob van Hove, directeur van BB-Con b.v. in Vught, het bedrijfdat het concept nu op de markt brengt.VoordelenDe ontwikkelde BetonBallon heeft een aantal belangrijke voor-delen:­ een efficiënte inzet van materiaal, hulpmiddelen en arbeid invergelijking met soortgelijke gebouwtypen: 50% minderbeton, 80% minder staal, korte bouwtijd (voor het prototype2 werkdagen voor het spuiten van de schaal);­ vermindering van de milieubelasting: vermindering vanCO2-uitstoot met minimaal 70%; productie in het werkbeperkt logistieke belasting;­ toepasbaar voor diverse gebouwtypen met betonnen tunnel-en kruisgewelven, variërend van kantoren en woningen totbedrijfshallen.InnovatieOp zichzelf is het aanbrengen van spuitbeton op een pneuma-tisch gespannen membraan niet nieuw. Bestaande bouwmetho-den hebben echter als beperking dat de schaal vanwege devorm van de pneu een deel van een bolvlak moet zijn en datveel wapening moet worden aangebracht voor de opname vantrekspanningen. Het vernieuwende aan de BetonBallon is dathet nu mogelijk is het pneumatisch gespannen membraan in devorm van een kettinglijn te brengen, zodat onder invloed vanhet eigen gewicht van de betonschaal zuivere drukspanningenontstaan. In principe kunnen die zonder (dure) wapening doorde betonschaal worden opgenomen. Voor de opname van trek-spanningen die plaatselijk kunnen optreden ten gevolge vanwind- en temperatuurbelastingen wordt met vezels versterktspuitbeton toegepast. Dit beschikt over een hogere treksterkte-capaciteit dan ongewapend beton, vooral door het vermogenom na scheurvorming nog kracht op te nemen.Ook nieuw is de toepassing van vloeren die zijn opgehangenaan de betonschaal. Er is voor een detail gekozen waarbij debelasting uit de vloer via stalen deuvels wordt ingeleid in dedunne betonschaal. Om dit verbindingsdetail te verifiëren zijnop ware grootte proeven gedaan in het Van Musschenbroeklaboratorium van de TU Eindhoven (foto 5). Uit deze proevenbleek dat deze oplossing goed mogelijk is.PrototypeHet eerste volwaardige project dat waarschijnlijk met deontwikkelde bouwmethode zal worden uitgevoerd komt inSchijndel. Het gaat om een kantoorgebouw in vier bouwlagenvoor de firma Mettler Autodemontage, in de vorm van eenkruisgewelf. De footprint van het gebouw is 12 x 12 m, dehoogte 14 m (fig. 6).Om de bouwmethode te testen is besloten op het terrein van deTU Eindhoven een prototype te bouwen van de bovenste tweebouwlagen van dit kantoorgebouw (foto 1). Dit gedeelte bevathet kruisgewelf en heeft een verdiepingsvloer, zodat het quacomplexiteit representatief is voor het te realiseren kantoorge-prof.ir. Frans van HerwijnenABT bv / TU Eindhoven, faculteit Bouwkundeing. Ab van den BosABT bvRob van HoveBB-Con bv, Vught1 Prototype BetonBallon op campus TU/e2 Aanbrengen spuitbeton op betonballon3 Betonballon met opgeplakte`spouwankers'ter controlevan de dikte van het spuitbeton, en wapeningsnet terplaatse van aansluiting verdiepingsvloer ­ schaal2316_19_3_betonballon.indd 17 11-06-2009 18:57:14Gewelven met BetonBallon18De betonschaal is in volume-elementen gemodelleerd, vooralom de krachtsinleiding vanuit de ophangpunten van de vloerenop een juiste manier te kunnen bepalen. Dergelijke volume-elementen zijn vooral nuttig als er naast buiging relatief grotekrachten uit het vlak van de te onderzoeken schalen optreden(zoals pons of dwarskracht).Naast het gebruik van volume-elementen is er eveneens voorgekozen de berekening fysisch niet-lineair uit te voeren. Demomentcapaciteit van de schaal is zo klein dat bij een lineaireberekening een overschrijding van de lineaire momentenpiekenal snel zal optreden. Het verantwoord `uitsmeren' van dezespanning- of momentenpieken is lastig in te schatten bij eendergelijke schaal.Door het toepassen van een niet-lineair trek/druk-diagram ishet mogelijk om te bepalen hoe de spanningen worden herver-deeld. Daarbij is het inschatten van de juiste hoeveelheidenergie na het moment van scheuren van groot belang.bouw. Mogelijke kinderziektes bij de uitvoering kunnen boven-dien vooraf worden onderkend. Voor het aanbrengen van hetspuitbeton is het Belgische bedrijf Smet-Boring ingeschakeld.Het maken van een prototype is zeer nuttig gebleken. Op basisvan de opgedane ervaringen is een aantal verbeteringen aan deballon doorgevoerd. In de uitvoering bleek dat de hechting vande dunne spuitbetonlaag op de flexibele bekisting veel aandachtnodig heeft. Wanneer de eerste laag spuitbeton te dik wordtaangebracht op het bekistingstextiel bestaat het gevaar dat dezeuitzakt. Dit wordt vooral moeilijker doordat de textiel in tril-ling wordt gebracht door de druk van het spuitbeton. Dit is tevoorkomen door regelmatig te spuiten en dun te beginnen. Tentweede is het mengsel van groot belang. De samenhang van hetmengsel moet zeer groot zijn (cohesie). Dit zorgt voor eengrotere sterkte in de jonge fase wat helpt tegen het uitzakken.Eindige-elementenmodelVan het prototype is een 3D eindige-elementenmodel inDIANA gemaakt. Dit om de (trek)spanningen in het gewelf tengevolge van alle daarop werkende belastingen te kunnenbepalen. De dikte van de schaal is bepaald op 120 mm terhoogte van de begane grond. Dit komt overeen met de tweedeverdieping van het project voor Mettler. De dikte neemt af tot60 mm in de top. Voor het Mettler-project met drie verdiepin-gen is de dikte bij de voet van het gewelf bepaald op 200 mm.Vanwege de geringe momentcapaciteit van de staalvezel gewa-pende doorsnede (ten opzichte van een traditionele construc-tie) leent een eindige-elementenmethode zich goed om dewerkelijke spanningsverdeling te bepalen. Zeker gezien devorm is het analytisch bepalen van een N-, D- en M-lijn overde schaal vrij lastig.thema4516_19_3_betonballon.indd 18 11-06-2009 18:57:15Gewelven met BetonBallon 42009 194 Betonballon in uitvoering; eerste lagen zijn gespoten5 Proefopstelling aansluiting vloerplaat ­ betonschaal in Pieter vanMusschenbroek laboratorium van de TU/e6 Nieuwbouw Mettler Autodemontage in Schijndel7 EEM-model met vervormingen ten gevolge van eigen gewicht(maximaal 29,6 mm)8 EEM-model met buigspanningen ten gevolge van eigen gewichten windbelastingen variërend van -2,71 tot +3,23 N/mm29 EEM-model met hoofdtrekspanningen variërend van -1,35 tot +3,12 N/mm2Gekozen is de constructie op staal te funderen. Zowel inSchijndel als op de campus van de TU/e heeft de grondvoldoende draagkracht. In het model zijn de vier hoekpuntenverticaal opgelegd. Horizontaal wordt slechts één pijler vastge-houden om verschuiving als gevolg van wind te voorkomen.Dergelijke randvoorwaarden zijn zeer belangrijk bij het gebruikvan eindige-elementenpakketten.Met behulp van Autocad is het model volgens de kettinglijnformule opgezet en vervolgens ingelezen in DIANA.Maatgevende belastingenVervolgens is de berekening uitgevoerd voor een aantal belas-tinggevallen. Maatgevend bleek de combinatie van eigengewicht, momentane veranderlijke belasting en windbelasting.Voor de koppeling van de vloeren met de schaal is de verander-lijke vloerbelasting maatgevend. Verder is onderzocht inhoeverre een asymmetrische belasting op de vloeren nog veelinvloed had op het kruisgewelf. Dit bleek niet maatgevend tezijn. Figuur 7 laat een beeld van het model zien met de vervor-mingen door het eigen gewicht.Er bleken twee belangrijke aandachtspunten te bestaan:­ Ten eerste de aansluiting van de vloeren met de schaal. Plaat-selijk is hier een wapeningsnet aangebracht (foto 3).­ Ten tweede bleek vooral bij het drie verdiepingen hogekruisgewelf dat de bovenzijde te weinig buigingscapaciteitheeft onder windbelasting (fig. 8). Er is daarom voorgekozen ook hier een wapeningsnet op te nemen om dezebuiging veilig op te kunnen nemen.Het model van het prototype gaf geen problemen bij de boven-zijde van het gewelf. De hoofdtrekspanningen bleven benedende 3 N/mm2(fig. 9).Om toch ervaring op te doen met het plaatsen van wapening indeze moeilijk gekromde locatie is besloten om ook bij hetprototype in de uitvoering een net mee te nemen.Voor het onderhavige project zijn driepuntsbuigproeven uitge-voerd op in het werk vervaardigde balkjes. Door het beproevenvan deze balkjes is vastgesteld dat de druksterkte 35 N/mm2ende treksterkte 3,2 N/mm2bedraagt. Dit komt overeen met dewaarden die in het model zijn aangehouden.Leem in plaats van spuitbetonOp dit moment loopt er nog een onderzoek naar toepassingvan waterbestendig leem in plaats van beton. Dit zou in combi-natie met het ontwikkelde concept een oplossing kunnenbieden voor (semi)permanente huisvesting in ontwikkelings-landen.Aan de ontwikkeling van het BetonBallon-concept tot realisa-tie van het prototype hebben ontwerpers, fabrikanten enonderzoekers in goede samenwerking een bijdrage mogenleveren. De bouwmethode is nu zover ontwikkeld dat met heteerste project in Schijndel binnenkort kan worden begonnen.Daarnaast zijn er plannen voor een wereldpaviljoen in devorm van geschakelde betonschalen voor de Floriade in 2012in Venlo. )67 8 916_19_3_betonballon.indd 19 11-06-2009 18:57:17