Ontspanning bolankers breedplaatvloeren Praktijkonderzoek naar het verlies van voorspanning door krimp, kruip en relaxatie 1 Gebouw X op de campus van Hogeschool Windesheim in Zwolle 1 36? CEMENT 6 20 21 Gebouw X, opgeleverd in 2010 en verkozen tot Gebouw van het Jaar in 2011, vormt met de kenmer- kende diagonale gevelelementen het visitekaartje van Windeheim (foto 1). De begane grond vormt een par- keergarage, de negen verdiepingen omvat- ten onderwijsruimte voor de afdelingen journalistiek en economie. Bij het ontwerp van het gebouw is rekening gehouden met duurzaamheid. Zo heeft het energielabel A+++++, is het uitgerust met isolerende, glas- vezelversterkte kunststof gevelelementen en is het vervaardigd met breedplaatvloeren met holle elementen (bollenplaatvloer/ BubbleDeck), ter besparing van gewicht en materiaal. De 0,45 m dikke vloeren bestaan uit 70 mm dikke breedplaten (beton C28/35) met daarin 30 mm diepe kommetjes, waarin recyclede HDPE-bollen zijn geplaatst. Deze hebben een diameter d = 360 mm en zijn in een raster h.o.h. 450 mm geplaatst. Op deze vloer en tussen de bollen is een druklaag gestort (beton C28/35). Ontruiming Eind mei 2017 stortte de in aanbouw zijnde parkeergarage bij Eindhoven Airport in. Naar aanleiding van een onderzoek naar de oorzaak zijn alle gebouwen met breedplaat- vloeren in Nederland rekenkundig gecon- troleerd. Bezien is of er voldoende krachts- overdracht van de prefab-betonplaten naar het ter plaatste gestort beton aanwezig was bij de voegen tussen de prefab platen, of dat deze versterkt moesten worden. Bij het onderwijsgebouw X is in oktober 2017 besloten tot ontruiming van het gebouw en versterking van de vloeren. Dit vanwege onvoldoende krachtsoverdracht en mogelijk grote gevolgen. Keuze versterking In de zoektocht naar een mogelijke verster- king zijn vier varianten overwogen door ABT: a?stalen platen dwars op de voegen onder de vloer, verbonden met ankers dwars door de vloer; b?stalen platen dwars op de voegen onder de vloer, verbonden met korte ankers als verdeuveling tussen prefab en in-situ beton; c?koolstof lamellen dwars op de voegen onder de vloer, verbonden met epoxy lijm; d?voorspanankers in bollen langs de voegen onder de vloer, die prefab en in-situ beton samenklemmen (bolankers). Voor meer informatie over deze versterkings- varianten wordt verwezen naar de special Cement 2019/1 [1] en in het bijzonder [2] en [3]. In Gebouw X is gekozen voor de variant met bolankers. Bij variant a zou de bovenzij- de van de vloer ook hersteld moeten worden. Bij b bleken de ankers te conflicteren met de wapening en voor c bleek de onderzijde van de vloeren te vaak op ongelijke hoogte te liggen. Bolankers De bolankers bestaan uit een draadeind M24 8.8, aan de bovenzijde een kopplaat IR. PETER BOSMAN Docent Civiele Techniek en Onderzoeker Composieten Lectoraat Kunststoftechnologie (LKT) Windesheim ING. PIETER SCHREUDER Onderzoeker Composieten Lectoraat Kunststoftechnologie (LKT) Windesheim auteurs Voorspanning in beton neemt in de tijd af als gevolg van krimp en kruip van het beton en door relaxatie van het voorspanstaal. Deze verliezen treden ook op bij verstekingsmethoden voor breedplaatvloeren die zijn gebaseerd op voorspanning. Dit is onder meer het geval bij de zogenoemde bolankers, toegepast in Gebouw X op de campus van Hogeschool Windesheim in Zwolle. Op diezelfde hogeschool is onderzoek gedaan naar de grootte van die voorspanverliezen. CEMENT 6 2021 ?37 geboord gat ø100 2x moer M24 + plaat 70x70x15 injectiemortel K70 draadeind M24 8.8 voorspannen 160 kN vulslang ø15 PVC buis ø32x3 2x M6 tapankers 300x300x15 M6 ø8 overloopbuis ø20 in plaat 300 geponst gat ø26 in plaat 150/300vulbuis ø20 in plaat 300 overloopslang ø15 voor deze bol zelfde systeem toepassen moer M24 + sluitring M6 ø8 150x150x15 rubber ring geboord gat ø100 7191519 204 115153198 325 Postadres:Bezoekadres:E-mail:Tel.:Site: projectnr: projectleider:schaal:formaat: status: gec. tek.: datum:wijz: gec. proj.l: fase:tekening nr: wijz: onderdeel: project: Postbus 24, 9750 AA Hareninfo@abtwassenaar.nl050-5347345www.abtwassenaar.nlRummerinkhof 6, 9751 SL Haren opdrachtgever: architekt: fase: C:\Users\bze\Documents\609_3783 Windesheim gebouw X_RVT17_central file_lmeijer.rvt2-5-2018 17:39:04 Windesheim Gebouw X Zwolle principe detail bollenanker M24 Peter v.d. Meer 15654 U Det 1 - - BZE 02-05-2018 1:2 DEFINITIEF 1189x841 Hogeschool Windesheim Zwolle MEJ Uitvoeringsgereed Ontwerp M6 ø8 M6 ø8 geponst gat ø26 in plaat 150/300 geboord gat ø100 vulbuis ø20 in plaat 300 overloopbuis ø20 in plaat 300 70 × 70 × 15 mm, aan de onderzijde een plaat 300 × 300 × 15 mm (fig. 2). Om dit anker aan te kunnen brengen wordt ter plaatse van de bol, in het beton en de huid van de bol, een 40 mm groot gat geboord. Daarin wordt het anker opgehangen. Nadat het anker tijdelijk is gefixeerd, wordt de bol door middel van injectie (zand-cement-mortel K70) gedeelte- lijk gevuld met mortel. Hiertoe zijn door de onderste plaat twee slangen aangebracht, een voor het aanbrengen van de mortel, een als overstort. De ankers zijn omhuld met een pvc-buis om aanhechting van de mortel te voorkomen.Na verharding van de mortel wordt het anker voorgespannen met een hydrauli- sche momentsleutel. Hierdoor wordt de be- tonnen druklaag op de prefab schil geklemd. Hierdoor neemt de opneembare afschuif- kracht van het stortvlak tussen de prefab breedplaat en de betonnen druklaag toe. Alleen de bollen nabij de voegen zijn voorzien van ankers (fig. 3). Bij de verster- king is ook rekening gehouden met het extra vulgewicht in de bollen. Nadat bijna 8000 bollen waren voorzien van bolankers, is Gebouw X eind 2018 weer opengesteld (foto 4 en 5). Voorspanverliezen Bij beton is alom bekend dat voorspanning in de tijd afneemt door krimp en kruip van het beton en door relaxatie van voorspan- staal. Deze tijdafhankelijke verliezen bij grindbeton bedragen doorgaans in de orde- grootte van 10%. De hypothese is dat het voorspanverlies bij bolankers groter zal zijn, dit vanwege meer verwachte kruip in de mortel (vanwege meer cement) en in de kunststof bolschil, ondanks dat: de relaxatie van voorspanstaven met schroefdraad (in casu 8.8) nihil is; de uitdrogingskrimp van mortel in een nagenoeg afgesloten bol nihil is. Onbekend is echter hoeveel groter de voorspanverliezen zijn, omdat de literatuur slechts beperkt indicaties geeft voor kruip van mortel en HDPE. Omdat een van de on- derzoekslijnen van het LKT Windesheim zich richt op hybride ontwerpen en omdat hier bovendien geldt 'het hemd is nader dan de rok', heeft het LKT besloten de verliezen van de bolankers te monitoren. Opengewerkt en gesloten model Er zijn modellen gemaakt van 0,45 × 0,45 × 0,45 m, met beton C28/35 en elk met 2 Dwarsdoorsnede (a) en onderaanzicht (b) Bolankers in vloeren Gebouw X LECTORAAT Het lectoraat Kunststoftechnologie van Hogeschool Windesheim heeft hybride ontwerpen en duurzaamheid als enkele van haar speerpunten vastgesteld. Er wordt samen met (regionale) bedrijven en studenten praktijkgericht onderzoek verricht, dat ten goede moet komen aan het onderwijs in bredere zin. Dit project vormt daar een mooi voorbeeld van. Voor dit onderzoek 'Ontspanning bolan- kerversterking breedplaatvloeren' is gebruikgemaakt van onderzoeksubsidie van EFRO. 2a 2b 38? CEMENT 6 20 21 1 A B C D E 2 3 4 5 6 7 162001620016200 16200 7200 7200 7200 9000 7200 7200 PK1 PK1 PK1 PK1 PK1 PK1PK1 PK1 PK1 PK1 PK1 +3780 bubbledeckvloer d=450 bubbledeckvloer d=450 +5705 PK1 PK1 PK1 PK1PK1 PK1PK1 PK1 PK1 PK1 500x1200 betonwand d=400 betonwand d=250 betonwand d=400 betonwand d=400 betonwand d=250 betonwand d=400 vloer X3 betonwand d=400 betonwand d=250 betonwand d=250 betonwand d=400 betonwand d=400 betonwand d=250 betonwand d=400 betonwand d=250 1800 1800 HEB400 HEB400 HEB400 HEB400 HEA100 HEA100 HEA100 HEA100 HEB400 HEB400 HEB400 HEB400 i.h.w.gestort i.h.w.gestort i.h.w.gestort i.h.w.gestort (plafond X1) vloer X2 (plafond X1) i.h.w.gestort i.h.w.gestort WR00 -110 1 WR013780 WR03 7630 peil 0 2 3 4 5 6 7 WR0511480 WR07 15330 WR09 19180 WR11 23030 WR02 5705 WR04 9555 WR06 13405 WR08 17255 WR10 21105 WR-1-4650 7200 7200 90007200 7200 7200 X1 X3 X5 X7 X9 X4 X6 X8 X10 X2 X0 1 2 3 4 5 6 7 X1 X2 X4 X6 X8 X10 X3 X5 X7 X9 X0 Bol injecteren anker M24 + brandwerend bekleden 60 min Bol injecteren anker M30 + brandwerend bekleden 60 min Bol injecteren anker M24 UPE 200 -10 ankers + brandwerend bekleden 60 min UPE 200 -8 ankers + brandwerend bekleden 60 min Stalen strip 200x6 -8 ankers + brandwerend bekleden 60 min Stalen strip 200x6-10 ankers + brandwerend bekleden 60 min Postadres:Bezoekadres:E-mail:Tel.:Site: projectnr: projectleider:schaal:formaat: status: gec. tek.: datum: wijz: gec. proj.l: fase: tekening nr: wijz: onderdeel: project: Postbus 24, 9750 AA Haren info@abtwassenaar.nl050-5347345www.abtwassenaar.nl Rummerinkhof 6, 9751 SL Haren opmerkingen: opdrachtgever: architekt: fase: C:\Users\bze\Documents\609_3783 Windesheim gebouw X_RVT17_central file_lmeijer.rvt2-5-2018 18:09:28 Windesheim Gebouw X Zwolle vloeren X2 en X3 Peter v.d. Meer 15654 U 101 - - BZE 02-05-2018 1:350 / 1:100 DEFINITIEF 1189x841 Hogeschool Windesheim Zwolle MEJ Uitvoeringsgereed Ontwerp BK1 betonkolom 550x550 BK2 betonkolom 400x400 PK1 prefabkolom 500x500 Te injecteren bollen X3 en X2 Family LevelDiameter anker Gebouw niveau Brandwerend bekleden (60 min) Familie Bol windesheim_V2 WR01 24 X2 No No: 620 Familie Bol windesheim_V2 WR01 24 X2 Yes Yes: 457 24: 1077 WR01: 1077 Familie Bol windesheim_V2 WR02 24 X3 No No: 434 Familie Bol windesheim_V2 WR02 24 X3 Yes Yes: 256 24: 690 WR02: 690 Grand total: 1767 Spoorzijde versterking - X2 Cut Length WR_elementbenam ing 2300 Strip 200x6, 8 ankers per zijde Strip 200x6, 8 ankers per zijde: 11 2300 UPE200, 8 ankers per zijde UPE200, 8 ankers per zijde: 2 Grand total: 13 versterking - X3 Cut Length WR_elementbenamin g 2300 Strip 200x6, 8 ankers per zijde Strip 200x6, 8 ankers per zijde: 11 2300 UPE200, 8 ankers per zijde UPE200, 8 ankers per zijde: 2 Grand total: 13 3 Positie te verankeren bollen 4 Aanbrengen bolankers 5 Aangebrachte bolankers Het voorspan- verlies is gemonitord met twee modellen, een gesloten en een opengewerkt model 3 4 5 CEMENT 6 2021 ?39 Het voorspan- verlies is groter dan de gebruikelijke 10%, maar niet verontrustend 6 Opengewerkt en gesloten model 7 Gedrukte mortelkubus 70 mm8 Tentoongestelde open model één bol BD 360/450 (foto 6). Deze modellen zijn na ontkisten gedurende de drie zomer- maanden van 2019 in een klimaatkast ver- sneld verouderd om tot overeenkomstige uitharding en krimp te komen als in de circa 10 jaar oude vloeren in Gebouw X. Daarna zijn ze geïnjecteerd. De krimparme injectiemortel is samen - gesteld uit Rheoment, op basis van cement- type CEM I 42,5 R, met de voorgeschreven watercementfactor van 0,31. Na 8 dagen werd een gemiddelde druksterkte (n = 6) bereikt van 59 N/mm², gemeten op basis van gedrukte kubussen (foto 7). Dit komt redelijk goed overeen met de verwachte waarde van 60-70 N/mm². Een van de twee modellen is openge- werkt om de opbouw goed te visualiseren. Het opengewerkte deel betreft de bovenzijde, buiten de invloedzone van het bolanker. Het is achteraf voorzien van een plafond- en vloerafwerking om de context te accentue- ren (foto 8). Het opengewerkte model is ook gebruikt om de metingen aan het gesloten model mee te verifiëren. De meetopstelling is weergegeven in foto 9 en 10. Verliezen bolankers Beide modellen zijn vanaf eind 2019 geplaatst in een goed geïsoleerde ruimte van het geluids - lab met een constante kamertemperatuur. Na het voorspannen is de verlenging van het totale ank er gedurende lange tijd regelmatig gemeten. Hiermee is het verloop van de voor - spanrek in het anker bepaald. Dit is een zekere meetmethode die g emakkelijk bereikbaar is bij de nagebouwde modellen. In figuur 11 is het gemeten verlies te zien. Na bijna één jaar blijkt de voorspanning gestabiliseerd op een niveau van circa 35% verlies. 6 7 8 40? CEMENT 6 20 21 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 0 50 100 150 200 dagen voorspanverloop 250 300 350 400 450 gesloten model open model Niet verontrustend De bevindingen van dit onderzoek zijn terug- gekoppeld aan de adviseurs van ABT die de gekozen herstelmethode hebben voorgesteld en uitgewerkt. Daarbij is de vraag gesteld in hoeverre in de uitgangspunten rekening is gehouden met optredende verliezen van de voorspankrachten in de gemonteerde ankers. Door ABT is in de berekening van de voorspankrachten rekening gehouden met een verlies aan voorspanning van 17%. Maar er zijn verschillende voorspankrachten en bijbehorende ankerdiameters toegepast waarbij een benuttingsgraad van maximaal 80% is aangehouden. Bovendien is als con- servatieve aanname de gunstige invloed van de tralieliggers op het voegdetail in de bol- lenplaatvloeren niet meegerekend. De uitkomsten van deze proeven zijn daarom niet verontrustend voor het uitge- voerde herstel aan de vloeren van Gebouw X. Extra proeven Gezien de geringe dikte van de bolschil, wordt verwacht dat de mortel grotere verliezen veroorzaakt dan wat gebruikelijk is bij grindbeton. Aanbevolen wordt om kruip- proeven te doen met mortel die na zeven dagen en na meer tijd na storten op druk wordt belast. Dit om vast te stellen of het inderdaad de mortel is die de grotere verlie- zen veroorzaakt, en of langer wachten tot het voorspannen de verliezen reduceert. Daarbij wordt gedacht aan gesealde proef- stukken, dit om een omgeving zonder vocht- transport, zoals in de bollen, te simuleren. Het opengewerkte model (foto 12) wordt begin schooljaar 2021-2022 geplaatst in de lobby tussen Gebouwen X en T, ter her- innering aan de sluiting van Gebouw X, dat afgelopen schooljaren ook vaak (deels) ge- sloten was vanwege COVID-19. De onthulling zal geschieden zodra het onderwijs weer volledig on-campus plaatsvindt. 9 Meetframe en ankers zonder beton?10 Meetklokje 11 Voorspanverlies in twee nagebouwde bolankers 12 Opengewerkt model 9 12 11 10 LITERATUUR 1?Cement 2019/1 ? Thema Breedplaatvloeren. Aeneas Media, februari 2019. 2?Hordijk, D., Wal, V. van der, & Vos-Pols, M., Onderzoek naar versterking breedplaatvloeren met ingeboorde korte ankers. Cement 2019/1, februari 2019. 3?Verbaten, M., Riemens, K., & Schijffelen, H.. Voegdetail en versterkingsmethode geanalyseerd met niet-lineair FEM-model. Niet-lineaire analyse breedplaatvloeren (1), Versterken met CFRP-lammellen (2), Versterken met Bolankers (3). Cement 2019/1, februari 2019. CEMENT 6 2021 ?41