8 thema Ontwerpen van waterdichte kelders 1 Verschillende oorzaken lekkende kelders met verschillende oplossingen thema Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 9 Op basis van ervaringen met eerdere ontwerpen en schade- onderzoeken in opdracht van derden kunnen lekkages in kelders worden verdeeld in vijf categorieën: 1. gerelateerd aan de functionaliteit van de kelder; 2. gerelateerd aan het toegepaste bouwputtype; 3. gerelateerd aan de (onjuiste) toepassing van dilataties; 4. gerelateerd aan de toepassing van onvoldoende of onjuist gepositioneerde wapening; 5. gerelateerd aan uitvoerings- en detailleringsaspecten. Hoewel een van deze aspecten meestal als hoofdoorzaak kan worden aangeduid, is in veel gevallen sprake van een samenspel van oorzaken. Functionaliteit kelder De eisen die aan de waterdichtheid van een kelder worden gesteld, zijn sterk afhankelijk van de toepassing waarvoor de kelder geschikt moet zijn. In een parkeerkelder zullen de eisen bijvoorbeeld minder streng zijn dan voor een archief, kantoor of laboratorium. Een kelder kan als waterdicht worden beschouwd als de aanvoer van water door de keldervloer of -wand minder groot is dan de verdamping aan het oppervlak. Beton transporteert via capillaire poriën vocht en vochtvoerende haarscheuren zijn niet te vermij- den. In een goed geventileerde parkeerkelder waar gedroogde lucht wordt ingeblazen, zijn wanden en vloeren over het alge- meen goed droog als aan de scheurwijdte-eisen is voldaan. Iedereen kent echter de schimmel achter een kast in een ogen - schijnlijk droog souterrain of droge kelder. Achter de kast kan niet worden geventileerd. Hierdoor kan vocht dat door de wand treedt condenseren, met schimmelvorming tot gevolg. Afhankelijk van de functionaliteit moet in overleg met een bouwfysicus en installatieadviseur worden bepaald hoe een kelder functioneel 'waterdicht' kan worden gemaakt. Mogelijke oplossingen zijn het aanbrengen van een waterdichte coating aan de binnen- of buitenzijde van de betonwanden, of het intensiveren van de ventilatie in de ruimte. Een ultieme (en kostbare) oplossing is het aanbrengen van een 'doos-in-doos- constructie', waarbij doortrekkend vocht via een 'spouw' kan ing. Niki Loonen, prof.ir. Rob Nijsse ABT 1 De eisen die aan de waterdichtheid van een kelder worden gesteld, zijn sterk afhankelijk van de toepassing waarvoor de kelder geschikt moet zijn 2 Aansluiting onderwaterbeton- en constructievloer op diepwand ArtEZ Hogeschool voor de kunsten in Arnhem 3 Ondergrondse uitbreiding van het Mauritshuis waarbij de waterdichtheid van groot belang is bron: Hans van Heeswijk Architecten Het ontwerpen en realiseren van waterdichte ondergrondse constructies behoort tot de grootste bouwtechnische uitdagingen. De meeste schade in kelders ontstaat niet doordat de 'berekening verkeerd' is gemaakt, maar doordat de 'verkeerde berekening' is gemaakt. Bij schade geldt namelijk altijd: er is een mechanisme opgetreden dat tot schade heeft geleid en dat in het ontwerp- of uitvoeringsstadium niet is onderkend. 2 3 Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 10 4 Bouwputtypen waarbij lekkages in kelders regelmatig voor - komen, zijn putten volgens het permanente polderprincipe (a) en putten met onderwaterbeton (b) 5 Watervoerende (buig)scheuren in diepwanden 6 Bij de nieuwbouw van het VU in Amsterdam verhinderen de in het onderwaterbeton gestorte poeren het krimpen van de keldervloer die over de poeren wordt gestort 7 Lekkende dilatatie bracht. Onder de keldervloer bevindt zich een drainage om de geringe hoeveelheid water die toch door de grondlaag heen- dringt, af te voeren. Keldervloeren Door de aanwezigheid van een drainage bij het polderprincipe kan de keldervloer niet lekken en kan zelfs met een open bestrating worden volstaan. Wordt wel een keldervloer toege- past, dan is het krimpen van deze vloer min of meer verhinderd. Bij een gefaseerde uitvoering van de keldervloer op grondslag kan de autogene krimp van de keldervloer voor een belangrijk deel worden geëlimineerd. Bij een bouwput met onderwaterbeton waar die verhinderings- graad bijzonder groot is, zeker bij in het onderwaterbeton gestorte poeren (foto 6), is dat niet goed mogelijk. In dit geval is het toepassen van een juiste hoeveelheid (zware) krimpwape- ning dan ook van belang, meer dan bij andere keldervloeren. Wanden In geval van een damwand als bouwputwand, bij zowel het polderprincipe als onderwaterbeton, wordt deze op de naden afgelast, waardoor ook deze niet lekt. Veel kelders functioneren op deze wijze naar behoren. Bij toepassing van diepwanden mag echter niet worden verwacht dat de 'stortnaden' tussen de panelen van de diepwand direct waterdicht zijn. Ook kunnen er (buig)scheuren optreden die watervoerend zijn (foto 5). In verreweg de meeste gevallen zijn deze lekkages met behulp van injecteren goed te herstellen. Er bestaat een extra complicatie bij het polderprincipe als de bouwputwand onder het niveau van de keldervloer te veel lekt. Dit kan doordat een stalen damwand uit het slot is gelopen, door 'lekken' in de waterremmende grondlaag of doordat geen of een verkeerde slotvulling is toegepast in de damwandsloten. De drainage is dan niet meer in staat het water af te voeren of er wordt niet meer aan de vergunningsvoorwaarden voldaan; er moet te veel water worden weggepompt. Er zijn voorbeelden worden afgevoerd. Bedenk wel dat de ruimte tussen de doos en de kelderwand erg nat en onhygiënisch kan worden. Van deze doos-in-doosconstructie bestaan zowel in het ontwerp als in het herstel geslaagde voorbeelden. Bijvoorbeeld bij de HKA in Arnhem is een doos-in-doosconstructie toegepast (fig. 2), maar bijvoorbeeld bij het Mauritshuis in Den Haag niet (fig. 3). Bouwputtype Bij elk bouwputtype horen specifieke risico's op lekkage. Bouw- puttypen waarbij lekkages in kelders regelmatig voorkomen, zijn putten volgens het permanente polderprincipe en putten met onderwaterbeton (fig. 4). Bij kelders volgens het permanente polderprincipe wordt een bouwputwand (meestal een stalen damwand of betonnen diep- wand) tot in een waterremmende horizontale grondlaag aange- 5 4a 4b drainage damwand zand trekanker onderwater beton thema Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 11 of meer 'werken' als gevolg van temperatuurverschillen. Met alleen krimpwapening is dit niet goed opneembaar. Robuuste detaillering, met grote voegprofielen en ruimte voor beugels rondom de profielen van de dilataties in dikke vloeren en wanden is hierbij de standaard. In een gesloten parkeerkelder is de temperatuur echter relatief constant, zodat dilateren voor temperatuurverschil niet nodig hoeft te zijn. bekend waarbij achteraf alsnog een keldervloer, berekend op waterdruk, is aangebracht. Dilataties Over weinig constructieve onderwerpen bestaan zo veel misver - standen als over dilataties. Dilataties zijn bedoeld om opgelegde vervormingen als zettingen, temperatuurverschillen en krimp- vervorming te laten optreden, zonder dat zich spanning in de constructie opbouwt. Er bestaan goede toepassingen van dilata- ties, maar in ondergrondse constructies zijn er diverse redenen om het wel of niet toepassen ervan goed af te wegen. Dilataties hebben als functie het opnemen van de vervormin- gen. Ten behoeve van waterdichtheid worden dilatatieprofielen toegepast. Bij het optreden van vervormingen rekken die profielen op. Bij dit oprekken kan het profiel beschadigen, zeker als de dilatatie aan beweging onderhevig blijft. Hierdoor kan lekkage optreden (foto 7). Daarnaast zijn dilataties relatief uitvoeringsgevoelig in dunnere wanden en vloeren, zodat de detaillering ervan goed moet worden aangepast. Het blijvend herstellen van de waterdichtheid van een dilatatie is in de prak- tijk een grote uitdaging. Temperatuurverschillen Voor ondergrondse constructies die aan een grote tempera- tuurvariatie worden blootgesteld, is dilateren beslist aan te bevelen. Een goed voorbeeld hiervan zijn open tunnelbakken in de infrastructuur. Een moot van 30 m lengte kan +/- 10 mm 7 6 Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 12 8 Verticale vervormingsverschillen: (a) spanning in de kelderconstructie, (b) gedilateerde kelder onder twee bouwdelen met verschil in hoogte, (c) verzakking van de fundering van de laagbouw naar de hoogbouw 9 Dwarskrachtscheuren in de wanden in een kelder 10 De wapening in een plaatfundering, zoals hier bij het CASA 400 Hotel in Amsterdam, kan als wandwapening worden berekend Ook als vloervelden of wanden wel worden gedilateerd, is er toch een zware wapening benodigd. Dilataties hebben immers een geringe invloed op de buigende momenten en kromming die in de constructieonderdelen optreden door (de combinatie van) belastingen én eenzijdige uitdroging. Wanneer alleen met de buigende momenten uit belastingen wordt gerekend, wordt de spanning in de doorsnede en daarmee in het wapeningsstaal ruim onderschat. Doordat in de meeste kelders het beton aan de binnenzijde uitdroogt en aan de buitenzijde niet, ontstaat een extra buigend moment dat pas wegvloeit als het beton is gescheurd. Dat resulteert in wijdere scheuren dan voorzien. Dilataties t.b.v. verticale vervormingsverschillen Eerdergenoemde dilataties hebben betrekking op horizontale vervormingen. Dergelijke dilataties worden in de regel verdeuveld uitgevoerd; zonder verdeuveling is er immers een reëel risico op het ontstaan van hoogteverschillen. Er worden nogal eens ten onrechte verdeuvelde dilataties toegepast om verticale vervormings - verschillen op te vangen. Die dilataties zijn daarvoor nauwelijks effectief. Het risico dat de deuvels overbelast raken, is daarbij zeker reëel omdat de lastoverdracht vaak wordt onderschat. Figuur 8b toont een gedilateerde kelder onder twee bouwdelen met verschil in hoogte. Onder de funderingslaag is een samen- drukbare laag aanwezig zoals de laag van Kedichem in Rotterdam of de Eemklei in Amsterdam. Bij goed functioneren van de dilata- tie zal er hoogteverschil tussen de vloeren ontstaan die ongewenst kan zijn. Figuur 8c laat zien dat het zettingsverschil tussen beide bouwdelen ter plaatse van de dilatatie veelal niet optreedt. De fundering van de laagbouw naar de hoogbouw zal namelijk nagenoeg net zo veel zakken, doordat de indrukking van de diepergelegen kleilaag naar buiten toe spreidt. Dilateren is hier - Verhinderde krimpvervorming Een ander aspect dat dilateren onpraktisch maakt, is de verhin- deringsgraad van het constructieonderdeel dat wordt gedilateerd. Een wand met een hoogte van 3 m die op een vloer wordt gestort, is bij 4 à 6 m lengte al aanzienlijk verhinderd tegen vervorming door krimp. Om effectief te dilateren, zou dus elke 5 m een dilatatievoeg moeten worden aangebracht. In de meeste kelders is dit praktisch niet uitvoerbaar. Bij vloeren die op grondslag worden gestort, kunnen de palen en de schuif- weerstand met de ondergrond de krimpvervorming verhinderen. Desalniettemin zal bij dergelijke vloeren een dilatatieafstand van 20 à 30 m volstaan, omdat de verhindering door de ondergrond en palen veelal minder groot is. Voor een vloer die op onder- waterbeton wordt gestort, geldt dat de verhindering ? net als bij wanden ? bijzonder groot is. Dilateren om de spanningsopbouw te voorkomen, functioneert dan niet goed. 9 8a 8b klei zand klei 8c thema Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 13 voor dus niet bijzonder effectief. Wat wel effectief kan zijn, is het toepassen van een brede stortvoeg tijdens de bouw. Door pas na de ruwbouw de kelderconstructies te koppelen, kan de spanning in de kelderconstructie (zoals weergegeven in figuur 8a) deels worden vermeden. Dat het op dwarskracht scheuren van de wanden in een kelder reëel is, valt af te leiden uit foto 9. Met het toepassen van een ruimer bemeten verticale ophangwapening kan de scheurvorming echter beter worden verdeeld, zodat de scheuren niet watervoerend hoeven te worden. Wapeningsdosering Ten aanzien van de wapeningsdosering in kelderconstructies bestaan vele theorieën. Feit is dat bij kelderconstructies met een lage wapeningshoeveelheid de problemen met lekkage in de praktijk vele malen hoger zijn dan wanneer een hoge hoeveelheid wapening wordt toegepast. De normtechnisch voorgeschreven minimumwapening in beton is in elk geval een factor 2 tot 4 te gering voor waterdichtheid. Betonsterkteklasse Een aspect dat daarbij tevens een rol speelt is dat de betonsterkte- klasse in de praktijk veelal hoger is dan ontwerptechnisch aangenomen. Een sterkteklasse C30/37 haalt in de praktijk al snel een sterkte volgens klasse C35/45. In dat geval is er echter wel een substantieel zwaardere krimpwapening benodigd! Bij dikkere betonwanden en -vloeren leidt de benodigde wape- ningsdoorsnede voor scheurwijdtereductie ? om staalspanningen voldoende laag te houden ? tot staafdiameters die op zichzelf weer aanleiding kunnen zijn voor wijdere scheuren. Het redu- ceren van de maaswijdte zodat kleinere diameters kunnen worden toegepast, kan zeker effectief zijn. Eventueel kan zelfs worden overwogen een zwaar net 'af te dekken' met een wape- ningsnet met geringe staafdiameter en maaswijdte om de scheurvorming beter te verdelen. Op plekken waar het realiseren van de gewenste dekking niet mogelijk is, kan de toepassing van wapening van roestvast staal (RVS) of koolstof (CFRP) worden overwogen omwille van duurzaamheid. Plaatwapening berekenen als 'randwapening' Bij een dikke plaatfundering (foto 10) is zware krimpwapening benodigd. Deze kan als 'randwapening' worden berekend zodat de twee buitenste 'schillen' een beperkte scheurwijdte hebben. In de kern van de plaatfundering zijn dan wijdere scheuren toelaatbaar. Desalniettemin wordt in dikke funderingsplaten of wanden soms wel een middennet toegepast. Milieuklasse Hoewel uit oogpunt van duurzaamheid diverse kelders niet in de zwaarste milieuklasse vallen, kan het nodig zijn omwille van de waterdichtheid de wapening wel conform de zwaarste klasse te dimensioneren. Alleen een adequate krimpwapening is onvol- doende als de staalspanning in de gebruikstoestand kan toene- men tot een waarde waarbij de scheurwijdte te groot wordt. Door te toetsen aan een hoge milieuklasse kan dit risico worden vermeden. Dit kan betekenen dat er omwille van waterdichtheid soms meer constructieve wapening moet worden toegepast, in aanvulling op de minimaal toe te passen krimpwapening. Hybride wapening Een nieuwe ontwikkeling die in kelders inmiddels zijn intrede heeft gedaan, is 'hybride wapening'. Daarbij wordt een traditionele wapening gecombineerd met staalvezels. Het staalvezelbeton heeft enerzijds na-scheursterkte, waardoor minder wapening is 10 Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 Ontwerpen voor waterdichte kelders 1 2016 14 thema 11 Eerste stortfase van een van de grootste ongedilateerde hybride gewapende keldervloeren van het gemeentehuis in Weert in de zomerperiode zijn gestort het meest te scheuren. Het zou dus goed zijn ook voor hoge temperaturen richtlijnen op te stellen. Hoge specietemperaturen (> 25 °C) en felle zonbestraling van wandkisten verhogen het scheurrisico substantieel. Zon- bestraling en wind kunnen tot plastische krimpscheuren in versgestorte vloeren leiden. Bij het toe te passen betonmengsel kan met de bovenstaande omstandigheden rekening worden gehouden. Bij lage tempera- tuur zal meer portlandcement worden toegepast om de verhar - ding voldoende snel te laten plaatsvinden. In warme perioden wordt juist meer hoogovencement of vliegas toegepast om de sterkte- en temperatuurontwikkeling te temperen. Een punt van aandacht hierbij is de eindsterkte van het beton. Zeker in de zomerperiode verdient het dan ook aanbeveling de water- cementfactor niet lager te kiezen dan strikt benodigd (? 0,50). Bij een lagere water-cementfactor wordt meer cement gebruikt waardoor er meer krimp en een hogere sterkte optreedt; dit vergroot de kans op wijdere scheuren. Doordat in die periode veel wordt gebruikgemaakt van hoogovencement is de levens- duur van het beton al snel gelijkwaardig aan een beton met portlandcement en een lagere water-cementfactor. Hoogoven - cement heeft een fijnere structuur waardoor het beton dichter wordt; ook blijft er minder vrije kalk over na de verharding waardoor de porositeit door carbonatatie op termijn minder groot is. Als alternatief kan worden overwogen de betondek - king iets groter te kiezen om de duurzaamheid te verhogen. Nabehandeling Een goede bescherming na storten en een adequate nabehandeling kan eveneens veel ellende voorkomen. Door wandbekistingen te isoleren of zelfs te verwarmen, kan bevriezing worden voorkomen in de winter; in de zomer kunnen zeilen voorkomen dat er directe zonbestraling optreedt en verhinderen dat veel water uit het beton verdampt. Ook het moment van ontkisten moet worden afgestemd op de verharding en temperatuur van de wand. Na het ontkisten moet een wand nog worden beschermd tegen uitdroging, bijvoorbeeld met behulp van een curing compound. Bij gunstige omstandigheden kan de nabehandeling van een vloer ook uit een curing compound bestaan. Bij hoge tempera- turen kan een vilt worden aangebracht dat nat wordt gehouden; de verdamping geeft dan verkoeling aan de vloer. Bij koude temperaturen kan de toepassing van isolerende dekens nodig zijn om het oppervlak adequaat te beschermen. Tot slot Met een uitgekiend ontwerp van zowel de bouwput als de kelderconstructie en het consequent en kwalitatief goed door - voeren van de genoemde uitvoeringsrichtlijnen, kan het doel worden bereikt: een waterdichte kelderconstructie! ? benodigd. Anderzijds heeft het vezelbeton een positief effect op de verankeringslengte van de wapeningsstaven doordat het beton rond de staven minder snel 'splijt'. Hybride gewapend beton kan conform de geldende CUR-Aanbeveling 111 en fib Model Code 2010 worden gedimensioneerd. Foto 11 toont de eerste stortfase van een van de grootste ongedilateerde hybride gewapende keldervloeren. Uitvoerings- en detailleringsaspecten Behalve de expertise van de ontwerper is ook een kwalitatief goede uitvoering een zeer belangrijke voorwaarde om een waterdichte ondergrondse constructie te realiseren. Stortnaad Een van de details waar de uitvoerende partij een belangrijke inbreng in heeft, is de detaillering van de stortnaad. Het is uiteraard mogelijk in het ontwerp dit detail ver uit te werken. In de praktijk hebben aannemers echter grote verschillen van inzicht in de uitvoering van dergelijke details. Oplossingen mét en zonder zwelbanden, kimprofielen en injectieslangen zijn met meer en minder succes toegepast. Uiteindelijk is de uitvoe- ringskwaliteit doorslaggevend. De kreet 'stortnaad volgens opgave aannemer' is dus beslist niet verkeerd, mits de uitvoering goed wordt overlegd tussen ontwerper en uitvoerder. Weersomstandigheden De omstandigheden tijdens het storten van beton voor onder - grondse constructies bepalen in grote mate het succes. Voor koud weer bestaan er goede richtlijnen. Indien die goed worden opgevolgd, is de periode van oktober tot en met maart zeer geschikt om ondergrondse constructies te realiseren. De kans op scheurvorming door afkoeling van de constructie is door de lage verhardingstemperatuur namelijk gering. Uit onderzoek van Rijkswaterstaat naar een tunnel met moten die in verschillende jaargetijden zijn gestort, bleken de moten die 11