EEM-software biedt de functionaliteit om op basis van lineair-elastische schijfkrachten en plaatmomenten wapening te bepalen. Maar de optie ontbreekt in de regel voor wapenen op dwarskracht. Dit artikel wil attenderen op beschikbare kennis en vooral hoe die zich in software laat implementeren. Demonstratie gebeurt met het programma XFEM4U van Struct4U met een hybride plaatelement.
x y
1
1
xxn
yyn
x y
1
1
xyn
yxn
Dat EEM-software wapening kan
berekenen weet elke constructeur
die ermee vertrouwd is.
In Cement
2014/3 hebben Braam en Blaauwendraad al
eens uitgelegd hoe dat toegaat op basis van
lineair-elastische spanningen [1] na een
vroege aanzet in 1995 van Lourenço en
Blaauwendraad [2]. Maar of het werkelijk
geland is? Wellicht was de presentatie nog
niet praktisch genoeg. In dit artikel behan -
delen de auteurs de stof op een alternatieve
wijze met een (nog) groter beroep op inzicht
en onder gebruikmaking van de vertrouwde
werkwijze van de vakwerkanalogie. De pre-
sentatie is een ingekorte versie van een
vollediger behandeling op Cementonline.
Vergeleken met genoemde eerdere Cement-
publicaties wordt nu meer aandacht ge-
schonken aan hoe een en ander zijn weg
kan vinden in programmatuur, zeker in de
volledige versie. De bestaande kennis voor schijfwape-
ning is redelijk vertrouwd en wordt niet op-
nieuw afgeleid. De gebruikelijke berekening
van momentwapening in platen volgens
Wood-Armer [3] zal worden vervangen door
de methode Marti [4]. Constructeurs zullen
het toepassen van dwarskrachtwapening in
platen zo veel mogelijk vermijden. Maar het
kiezen van een grotere plaatdikte of hogere
betonsterkteklasse is niet altijd de beste op-
lossing of is soms onmogelijk. Het toeganke-
lijk maken van het dwarskrachtprobleem en de uitleg aan constructeurs en softwarebou
-
wers is een belangrijk motief voor dit artikel.
De geboden afleiding is getoetst door imple-
mentatie in het programma XFEM4U met
vierhoekige hybride elementen, voor dit ele-
menttype een herwaardering in de Neder-
landse bouwwereld. Dit artikel kent drie stappen. In stap 1
wordt het wapenen van schijven kort in her-
innering geroepen. In stap 2 speelt die kennis
een rol bij het bepalen van momentwapening.
Het bepalen van dwarskrachtwapening in
platen is het onderwerp van stap 3 dat
wordt afgesloten met een toepassing ervan.
Stap 1: Schijfwapening
Een lineair-elastische EEM-berekening van
schijven levert het verloop van de normaal -
krachten n
xx en n yy en de schuifkracht n xy,
alle drie gedefinieerd per eenheid van plaat-
breedte, aangrijpend in het middenvlak van
de schijf en alle positief zoals getekend in
figuur 1. De eveneens getekende schuifkracht
n
yx is gelijk aan n xy.
Wapenen van
schijven en platen
Programma's vertalen krachten en momenten naar wapening.
Hoe doen ze dat, en vooral, hoe voor dwarskrachten?
PROF.DR.IR. JOHAN BLAAUWENDRAAD
Emeritus Hoogleraar TU Delft
DR.IR.DRS. RENÉ BRAAM
Adviesbureau
ir. J.G. Hageman auteurs
1 Definitie en tekenafspraak voor schijfkrachten
EEM-software biedt de functionaliteit om op basis van lineair-elastische schijfkrachten en
plaatmomenten wapening te bepalen. Maar de optie ontbreekt in de regel voor wapenen op dwarskracht. Dit artikel wil attenderen op beschikbare kennis en vooral \
hoe die zich in
software laat implementeren. Demonstratie gebeurt met het programma XFEM4U van Struct4U met een hybride plaatelement.
1
CEMENT 8 2021 ?37
36? CEMENT 8 2021
x
y
z
xxm
xym yym yxm yv
xv
x
x
y yl
yl
on
on
on
on xN
yN
yN
yN
yN
yN
xN xN
xN
De constructeur berekent met zijn/haar
EEM-software drie schijfkrachten, terwijl
doorgaans maar in twee loodrechte richtin -
gen wapening wordt toegepast. In dit artikel
wordt uitgegaan van orthogonale wapening
evenwijdig aan de x- en y-as. Doel is om de
wapeningskrachten n
sx en n sy per eenheid
van breedte te bepalen op basis waarvan de
wapeningsverhouding kan worden gekozen.
Het subscript s staat hierbij voor staal (steel
in het Engels). Voor het vaststellen van de
wapening worden lokaal plastische overwe-
gingen toegestaan. Het is triviaal welke wa -
pening volgt uit de normaalkrachten n
xx en
n
yy. Maar hoe op de schuifkracht n xy moet
worden gewapend, ligt niet voor de hand,
maar dat laat zich goed oplossen met een
vakwerkmodel.
Het linkerdeel van figuur 2 toont een schijf -
deel met een homogene schuifkracht n
xy per
eenheid van lengte. In het rechterdeel van
die figuur is een vervangend vakwerkmodel
getekend met twee horizontale en twee ver-
ticale trekstaven, de volgetrokken lijnen. De
krachten in deze staven worden opgenomen
door wapening. In de diagonalen, de streep-
jeslijnen onder een hoek
? met de verticaal,
werken betondrukkrachten. Voor de tan -
gens van de hoek wordt het symbool k inge-
voerd: k = tan
? (1)
De horizontale en verticale trekstaven in het
vakwerk hebben een positief teken. De dia -
gonaalkracht is positief bij druk. Als de drie
staafkrachten worden gedeeld door de res-
pectieve onderlinge afstanden vindt men de
wapeningskrachten n
sx en n ys en de diagonale
betondrukkracht n
c per eenheid van breedte.
Samen met de triviale wapeningskrachten
voor de schijfkrachten n
xx en n yy worden de
wapeningskrachten en diagonale beton -
drukkracht:
n
sx = n xx + k | n xy |
n
sy = n yy + k -1 | n xy | (2)
n
c = (k + k -1) | n xy |
De schuifkracht n
xy is voorzien van het abso-
luutteken om aan te geven dat de vergelij-
kingen zowel voor een positieve als een
negatieve schuifkracht gelden. Bij een nega -
tieve schuifkracht staan de diagonaalstaven
alleen schuin in de tegenovergestelde rich -
ting. De wapeningshoeveelheid wordt mini -
maal voor k = 1, dus als de drukdiagonalen
onder een hoek
? van 45° lopen. Maar de
constructeur is niet gebonden aan de waar-
de k = 1 en mag deze binnen grenzen vrij
kiezen. Voor k < 1 zullen de betondiagonalen
meer verticaal staan en voor k > 1 meer hori-
zontaal. Alle in Nederland gebruikte software
voor het wapenen van schijven hanteren in -
middels wel deze regels en kunnen de beton -
drukkracht n
c gebruiken voor de toetsing
van de betondrukspanning.
Voorbeeld 1 (k = 1)
Bij wijze van voorbeeld worden de volgende
schijfkrachten gekozen:
n
xx = 495 kN/m
n
yy = 400 kN/m
n
xy = ?330 kN/m
Met k = 1 worden de wapeningskrachten:
n
sx = 495 + |?330| = 825 kN/m
n
sy = 400 + |?330| = 730 kN/m
n
c = (1+1) ? |?330| = 660 kN/m
Voorbeeld 2 (k ? 1)
In het tweede voorbeeld wordt voor de schijf -
kracht n
xx een negatieve waarde gekozen: n
xx = ?495 kN/m
n
yy = 400 kN/m
n
xy = ?330 kN/m
Zou weer k = 1 worden gekozen, dan vindt men:
n
sx = ?495 + |?330| = ?165 kN/m
n
sy = 400 + |?330| = 730 kN/m
n
c = (1+1) ? |?330| = 660 kN/m
De wapeningskracht n sx blijkt nu negatief te
worden. Computerprogramma's zullen in dat
geval niet besluiten tot het toepassen van druk-
wapening, maar in de regel de betreffende
wapeningskracht gewoon nul stellen. Een
eleganter oplossing is om voor k een andere
waarde dan 1 te kiezen, zó dat de wapenings
-
kracht nul wordt. In het onderhavige voor -
beeld volgt de k-waarde uit de vergelijking:
nsx = ?495 + k ? |?330| = 0
Dit leidt tot de grotere waarde k = 1,5, dus
een waarde k
-1 = 0,667 kleiner dan 1, waar-
door de wapeningskracht in de y-richting
reduceert tot:
n
sy = 400 + 0,667 ? 330 = 620 kN/m.
De wapeningskracht 730 kN/m bij k = 1
wordt teruggebracht naar 620 kN/m, ofwel
15% kleiner. In x-richting is geen wapening
nodig. De grotere waarde voor k betekent
dat de drukdiagonaal flauwer helt. Het is
een punt van aandacht dat de betondruk -
kracht n
c groter wordt als k afwijkt van 1.
In het beschouwde geval groeit n
c van
(1+1) ? 330 = 660 kN/m bij k = 1 naar
(1,500 + 0,667) ? 330 = 715 kN/m bij k = 1,5,
een toename van ruim 8%. Eenzelfde aanpak is nodig als voor
k = 1 een negatieve wapeningskracht in de
y-richting volgt. Het kan ook voorkomen dat
in geen van beide richtingen wapening nodig
is. Dan is er sprake van druk in alle richtin -
gen en zijn er twee hoofddrukkrachten, met
absolute waarden n
c1 en n c2 (nc2 > n c1) en is
er geen scheurvorming. De grootste hoofd -
drukkracht n
c2 moet worden getoetst aan de
betondruksterkte. De les van de twee voorbeelden kan
algemener en strenger worden geformuleerd
door in het algemeen vier verschillende schijfgevallen te onderscheiden en daarvoor
de criteria en formules te programmeren:
wapening nodig in twee richtingen;
wapening alleen nodig in x-richting;
wapening alleen nodig in y-richting;
drukspanningen in alle richtingen.
Stap 2: Momentwapening in
platen
Het middenvlak van de beschouwde plaat
ligt in het x-y-vlak van een rechtsdraaiend
assenstelsel x, y, z (fig. 3). De onderkant van
de plaat ligt aan de positieve z-kant van de
plaat en de bovenkant aan de negatieve.
Zoals getekend zijn de momenten en dwars-
krachten positief. In het algemeen is in een
plaat aan twee kanten wapening nodig en
zowel aan onder- en bovenkant in de twee
richtingen x en y.
De door Marti voorgestelde methode sluit
dicht aan bij de berekening van liggers in
gewapend beton en gebruikt de kennis voor
het wapenen van schijven. Anders dan wat
algemeen gebruikelijk is, verstrekt de me-
thode informatie over de betondrukspan -
ningen in de plaat en biedt deze een oplossing
voor dwarskrachtwapening. In de algemene
versie van Eurocode 2 [6] wordt de methode
niet genoemd maar wel in Eurocode 2 ?
Bruggen [7]. Daarin is de methode in een
bijlage beschreven. De crux van de aanpak
is de introductie van een sandwichmodel in
drie lagen. In de betonplaat worden schillen
(ook wel huid genoemd) aan de boven- en
onderkant van de plaat onderscheiden en
daartussen een kern (fig. 4). De schillen ne-
men de momenten op en de kern de dwars-
krachten. De schillen onder (Eng: bottom) en
boven (Eng: top) hoeven niet even dik te zijn.
De hart-op-hart afstand d
v van de twee schil -
len wordt gehanteerd als de hoogte van de
kern.
2 De schuifkrachten n xy worden in een vakwerkmodel vervangen door horizontale puntlasten N x en verticale N y 3 Positieve momenten en dwarskrachten in een plaat
Uitgegaan wordt
van orthogonale
wapening even -
wijdig aan de
x- en y-as.
Doel is om de
wapenings-
krachten n
sx en
n
sy per eenheid
van breedte te
bepalen op basis
waarvan de
wapenings-
verhouding kan
worden gekozen
VOLLEDIGE VERSIE OP
CEMENTONLINE
Dit is een ingekorte versie van het volle-
dige artikel 'Wapenen van schijven en
platen'. Deze versie is te raadplegen op
Cementonline.nl.
2
3
CEMENT 8 2021 ?39
38? CEMENT 8 2021
yv
xv x y z vd
/xx vmd
td
/xy vmd
/yx vmd /yy vmd
bd
/xx vmd
/xy vmd
/yx vmd /yy vmd
yv
xv x y z vd
x xtn
xytn
td
yxtn
xxtn
yytn
bd
xybn
xxtn
yybn yxbn
xxbn
o
x
y
n
t ov
vd
1
z
4 vd 4 vd
vd
2F
F F
verschovenmomentenlijn verschovenmomentenlijn 4F
F F
momentenlijn
In het linkerdeel van figuur 4 zijn de momen-
ten vervangen door krachten met een hef -
boomsarm d
v en met een verschillend teken
in onder- en bovenschil. In de rechterhelft
van de figuur is aangegeven hoe die schijf -
krachten in de schillen worden genoemd. Er
geldt:
Bottom:
Bottom: yy xy xx
xxb yybxyb
vv v;; m m m nnn d dd =+ =+ =+
Top: yy xy xx
xxt yytxyt
v v v;; m m m
nnn
d d d =? =? =?
(3)
Top:
Bottom: yy xy xx
xxb yybxyb
vv v;; mm m
nnn
d dd =+ =+ =+
Top: yy xy xx
xxt yytxyt
v v v ;; m m m nnn d d d =? =? =?
De charme van deze aanpak is dat elke schil
vervolgens afzonderlijk kan worden behan -
deld als een schijf zoals hiervoor besproken.
Per schil moet worden onderzocht tot welk
van de vier beschouwde schijfgevallen de
krachtencombinatie in de schil behoort. Er
is al dan niet (in een of beide richtingen) wa -
pening nodig en er is altijd controle mogelijk op de betondrukspanning. De richting van
de drukdiagonalen zal boven en onder in het
algemeen niet gelijk zijn, want de krachts-
toestand in de twee schillen hoeft niet met
hetzelfde geval te corresponderen. Als de
betondrukspanning de druksterkte over-
schrijdt, moet de schildikte worden aange-
past.
Stap 3: Dwarskrachtwapening in
platen
In een knoop of element van het elementen -
net begint het proces met het bepalen van
de maximale dwarskracht v
o (ook hoofd -
dwarskracht genoemd) en de richting in het
plaatvlak waarin deze werkt, de hoek
?o met
de x-as. Het maximum is net als v
x en v y een
dwarskracht per eenheid van breedte en
zowel v
o zelf als de richtingshoek ?o is een
functie van v
x en v y [5]. De maximale dwars-
kracht zal in het algemeen niet optreden in
dezelfde richting als het grootste hoofdmo-
ment. Er is nog een ander verschil. De twee
hoofdmomenten treden altijd op in twee
loodrechte richtingen en zijn als regel beide
ongelijk aan nul. Voor dwarskrachten is dat
anders. Als een dwarskracht maximaal is, is
er in de richting loodrecht erop geen dwars-
kracht; die is dan nul. Figuur 5 toont een plaatkern in de
richting van de maximale dwarskracht met
een breedte 1 en een hoogte d
v in het ruimte-
lijke assenstelsel x, y, z. Er is ook een ortho-
gonaal assenstelsel n, t, z getekend dat ten
opzichte van het assenstelsel x, y, z is gero-
teerd over een hoek
?o om de z-as. De n-as
loopt in de richting van de maximale dwars-
kracht v
o. Zoals getekend heeft de maximale
dwarskracht v
o een positief teken.
Stap 3 bestaat eigenlijk uit twee deelstappen.
In de eerste deelstap moet worden beslist of
wel of niet dwarskrachtwapening is vereist.
Als inderdaad dwarskrachtwapening nodig
is, volgt in een tweede deelstap hoe die wa -
pening er dan uitziet.
Dwarskrachtwapening nodig?
Elk betonvoorschrift heeft een criterium
voor de grootte van de grenswaarde van de
dwarskracht waarbij geen dwarskrachtwa -
pening vereist is. In de Eurocode 2 heet die
5 6
4
Anders dan
wat algemeen
gebruikelijk is,
verstrekt de
methode Marti
informatie over
de betondruk -
spanningen
in de plaat en
biedt deze een
oplossing voor
dwarskracht-
wapening
4 'Exploded view' van het sandwichmodel in de methode Marti
5 Strook van plaatkern in de richting van de maximale dwarskracht v
o
6 Vakwerkmodel voor bepaling dwarskrachtwapening in ligger
grenswaarde voor liggers V Rdc [6]. In een
plaat moet v
Rdc worden geschreven omdat
het dan om een dwarskracht per eenheid
van breedte gaat. In het criterium speelt ook
de normaalkracht N die in de liggerdoorsne-
de optreedt een rol. De equivalent voor vlak -
constructies is de situatie waarin zich een
combinatie van schijfkrachten en plaatmo-
menten voordoet. Voor liggerelementen is
de normaalkracht N onderdeel van de
EEM-uitvoer. Maar voor vlakconstructies
met een combinatie van plaat- en schijfwer-
king moeten we een extra slag maken om de
normaalkracht n
nn in de richting van de
hoofddwarskracht v
o te weten te komen. Dat
vraagt een transformatie van de schijf -
krachten in het x,y-vlak naar schijfkrachten
in het n,t-vlak, wat voor programmeurs een
bekende procedure is. De gevonden kracht
n
nn kan dan worden ingevoerd in de formule
voor de toelaatbare dwarskracht v
Rdc. In de
formule voor de dwarskrachtsterkte speelt
ook de wapeningsverhouding een rol. Omdat
de maximale dwarskracht in het algemeen
niet samenvalt met x- of y-richting, moet
voor de wapeningsverhouding een waarde
worden gekozen in richtingen anders dan
van de orthogonale wapening. Daarvoor
wordt Eurocode 2 gevolgd voor een fictieve
wapeningsverhouding op basis van de
?-waarden voor de x- en y-richting.
Bepaling van dwarskrachtwapening
Als de maximale dwarskracht v o de toelaat-
bare waarde v
Rdc overschrijdt, wordt dwars-
krachtwapening toegepast. De oplossing
hiervoor is ingegeven door de klassieke be-
rekening van beugels in liggers. In figuur 6 is
het vakwerkschema geschetst voor een vrij
opgelegde ligger onder een puntlast 2F en diagonalen onder 45°. De bovenrand van het
vakwerk is hart drukzone en de onderrand
hart wapening. De afstand van de wapening
tot de drukzone is d
v. De lengte van de ligger
is 8d
v. De kracht in de drukzone verloopt
stapsgewijs van nul bij de oplegging tot 3F
nabij het midden (groene lijn in figuur, druk
positief ). De trekkracht in de wapening
neemt stapsgewijs toe van F bij de oplegging
tot 4F in het midden (rode lijn, trek positief ).
Over een groot deel van de ligger wordt de
wapeningskracht groter dan de waarde die
wordt verwacht op basis van de momenten -
lijn. Elke constructeur kent het fenomeen
dat de momentenlijn moet worden verscho-
ven over de effectieve hoogte van de ligger,
en wel in de ongunstige richting. In de verti -
cale staven heersen trekkrachten ter grootte
van de dwarskracht v
o (beugels). Maar hoe
leg je het verschuiven van de momentenlijn
uit aan de computer? Daarvoor wordt het
grijs getinte deel van het vakwerk in figuur 7
nader beschouwd. Links van het gelijkteken
staan de krachten die op dit vakwerkdeel
aangrijpen. Rechts ervan worden die krach -
ten gesplitst in twee delen. Het eerste deel
geeft de krachten die zouden optreden zon -
der dwarskrachtwapening en het tweede
deel de verandering als gevolg van dwars-
krachtwapening. Het tweede deel betekent
dat de kracht zowel in de trekzone als de
drukzone verandert met dezelfde extra
trekkracht ½F. Voor de wapeningszone
noemt de constructeur dit het verschuiven
van de momentenlijn. Over de drukzone
heeft niemand het.
Marti heeft dit fenomeen gegeneraliseerd
naar plaatconstructies op een wijze waarmee
de computer uit de voeten kan. In figuur 8 is
de beschouwde kern opnieuw getekend, nu
in het n,z-vlak en met de bijbehorende boven-
en onderschil. Nu treden verdeelde diago-
naalkrachten op. De horizontale ontbonde-
ne van de diagonaalspanningen levert over
de hoogte d
v van de kerndoorsnede een totale
drukkracht h
o. Die maakt op zijn beurt even -
wicht met een trekkracht ½h
o in elk van de
twee schillen. Als de diagonaalrichting on -
der 45° wordt gekozen, zijn h
o en v o aan el -
kaar gelijk. Bij een flauwer verloop wordt h
o
groter dan v
o. In verticale richting leveren
CEMENT 8 2021 ?41
40? CEMENT 8 2021
= +
vd
2F
3F3F
F
F
2F
F
F
F
3F
½1F ½2F
½2F
F F
½1F
vd
toestand zonderdwarskrachtwa\fening extra verandering doordwarskrachtwa\fening
3F ½½
½ ½
½½
½½
½½
z
ov
n
vd
oh½ oh½
oh½ oh½
ov oh oh
,21
,18 ,60
,21
,60
,12 ,03 ,45
de diagonaalkrachten een drukspanning ?zz
die op zijn beurt evenwicht maakt met de
verticale trekspanning door de beugels. Op
die spanning worden de beugels gedimensi -
oneerd (vaak uitgevoerd als dubbele haar-
speld) en de diagonale drukspanning in het
beton wordt getoetst aan de betondruk -
sterkte. Bij een positief moment neemt de
kracht in de trekzone (bottom) daardoor toe
en de kracht in de drukzone (top) af. Net als
gebruikelijk is bij liggers, is de hellingshoek
van de diagonalen begrensd.
Extra wapening in beide sandwichschillen
Bij liggers zou de berekening klaar zijn als
de beugelwapening bekend is en de momen -
tenlijn verschoven. Bij platen moet nog een
extra slag worden gemaakt, want 'het ver-
schuiven van de momentenlijn' is hier geen
bruikbare methode. De trekkracht ½h
o in de
twee schillen van de plaat vraagt nog extra
aandacht. De schilkrachten n
nn = ½h o zijn
gericht volgens de n-as en gaan samen met
schilkrachten n
tt = 0 en n nt = 0. Deze drie
schilkrachten moeten nog door transformatie
worden omgezet naar krachten n
xx, nyy en n xy
in x- en y-richting om ze te kunnen optellen
bij de schijfkrachten die er al zijn vanwege
de momenten en eventuele andere oorza -
ken. Met behulp van die totale schilkrachten
wordt dan de wapening in x- en y-richting
bepaald. De procedure voor de wapening- bepaling en de toets op de betondrukspan
-
ning is per schil weer geheel zoals eerder
besproken voor schijven, te weten het be-
schouwen van vier schijfgevallen. Let op dat
nu in drie diagonaalrichtingen de drukspan -
ning moet worden gecontroleerd. Twee lopen
evenwijdig aan het middenvlak van de plaat,
één onder in de plaat en één bovenin. De
derde ligt in de plaatkern onder een hoek ?
met het middenvlak van de plaat. Het drielagenmodel uit Eurocode 2 ?
Bruggen is goed toepasbaar bij niet al te
hoge wapeningsverhoudingen en bij niet te
dominante wringing [6]. Deze eisen zullen in
de constructeurspraktijk veelal niet tot pro-
blemen leiden en wijken overigens niet af
van de beperking van gebruikelijke wape-
ningsmethoden. De grote vooruitgang is de
mogelijkheid van controle van de beton -
drukspanningen en de uitbreiding naar
wapenen op dwarskracht.
Iteratief proces
Voor de beslissing of dwarskrachtwapening
nodig is, moet de wapeninghoeveelheid be-
kend zijn, omdat de grenswaarde v
Rdc mede
daarvan afhangt. Dat betekent dat eerst een
rekengang nodig is waarin op basis van al -
leen de schijfkrachten en plaatmomenten
een wapening voor de schillen wordt vastge-
steld. Daarna kan een tweede rekengang
worden uitgevoerd waarin per knoop of ele-
ment wordt beslist of wel of geen dwars-
krachtwapening nodig is, en zo ja, hoeveel.
Daardoor verandert dan ook de reeds bere-
kende wapening in de schillen. In het pro-
gramma XFEM4U wordt daarna verdere
iteratie niet meer zinvol geacht. In dit artikel moet een belangrijk
aspect on
besproken blijven, de controle op
scheurwijdte. Er wordt volstaan met te zeggen
dat die controle ook een plaats in het iteratie
-
proces heeft gekregen. Er kan ook rekening
worden gehouden met scheuren in een wille
-
keurige richting anders dan de x- en y-rich -
ting. Omdat ook in scheurwijdteberekeningen
de
wapeningsverhouding een rol speelt, moet
daarvoor weer een waarde kunnen worden
gekozen in richtingen anders dan de richting
van de gekozen orthogonale wapening.
Toepassing
Het hoofddoel van dit Cement-artikel is het
wapenen van platen op dwarskracht en de
toepassing zal zich beperken tot een voor-
beeld van een vierkante tweezijdig opgeleg -
de plaat (fig. 9). De plaatdikte is 200 mm.
Naast het eigengewicht is een variabele be-
lasting 4,0 kN/m² aanwezig. Op de plaat
staat ook een wand met breedte 1,8 m en
dikte 0,3 m. Deze oefent een belasting uit op
de plaat van 2,4 kN/m¹. Deze belasting is in
de berekening ingevoerd met twee lijnlasten
met onderlinge afstand 0,3 m. De plaat is
onderdeel gedacht van een project waarin de plaatdikte om bijzondere redenen niet
groter kan worden dan 200 mm. De gekozen
betonsterkteklasse is C35/45.
Figuur 10 geeft een plot van de trajectoriën
waarmee de afdracht van de dwarskracht
wordt gevisualiseerd en van de hoeveelheid
benodigde dwarskrachtwapening. Het zal
niet verbazen dat die nodig is tussen de
wand en de oplegging. Bij de oplegging is dat
maximaal 761 mm² per m² en naast de wand
1011 mm² per m². De trajectoriën (pijltjes)
brengen ook mooi in beeld hoe vanuit de
wandeinden bredere afdracht naar de op-
legging plaatsvindt onder een hoek van 45°.
Dat keert terug in de posities waar de beugels
nodig zijn.
Conclusies en opmerkingen
Met het drielagenmodel heeft de construc-
teur een middel om de betondrukspanning
te beoordelen. Dat kan het nodig maken om
in het ontwerpstadium de betonsterkteklas-
se te verhogen en/of de plaatdikte aan te
passen. Zoals het drielagenmodel in het
programma XFEM4U is geïmplementeerd
wordt ook de hoeveelheid wapening gemini -
maliseerd. Dat wordt bereikt door steeds
vier verschillende gevallen te beschouwen
en die zorgvuldig te programmeren.
En ten slotte, de constructeur kan nu ook
dwarskrachtwapening toepassen. Uit de
gemaakte berekeningen bij het testen van
het programma blijkt het doorgaans sterk
lokale gebieden te betreffen.
Met het drie-
lagenmodel
heeft de
constructeur
een middel
om de beton -
drukspanning
te beoordelen
8
9
10
7
7 Liggerdeel onder dwarskracht. Splitsen van de snedekrachten in twee delen
8 Krachten in kern en schillen bij maximale dwarskracht. Trek in schillen, druk in kern 9 Plattegrond van plaat belast door wand. Twee randen zijn vrij opgelegd. Maten in meters
10 Plot van de dwarskrachttrajectoriën en dwarskrachtwapening. Bij de wand (rood) is de maximaal benodigde
verticale wapening 1011 mm²/m² en bij de oplegging (geel) 761 mm²/m²
LITERATUUR
1?Braam, R., Blaauwendraad, J., Van
spanning naar wapening, Cement
2014/3.
2?Lourenço, P.B., Blaauwendraad, J.,
Aanzet tot consistent wapenen van
schijven, platen en schalen I en II,
Cement 1995/2 en Cement 1995/3.
3?Wood, R.H.: The reinforcement of
slabs in accordance with a
predetermined field of moments,
Concrete 2, February 1968. Armer,
G.S.T., correspondence, Concrete 2,
August 1968.
4?Marti, P., Design of Concrete Slabs
for Transverse Shear, ACI Structural
Journal, vol. 87, issue 2, 3/1/1990.
5?Blaauwendraad, J., Plates and FEM,
Surprises and Pitfalls, Springer, 2010.
6?NEN-EN 1992-1-1: Eurocode 2:
Ontwerp en berekening van
betonconstructies.
7?NEN-EN 1992-2: Eurocode 2:
Ontwerp en berekening van
betonconstructies. Bruggen.
CEMENT 8 2021 ?43
42? CEMENT 8 2021
Dat EEM-software wapening kan berekenen weet elke constructeur die ermee vertrouwd is. In Cement 2014/3 hebben Braam en Blaauwendraad al eens uitgelegd hoe dat toegaat op basis van lineair-elastische spanningen [1] na een vroege aanzet in 1995 van Lourenço en Blaauwendraad [2]. Maar of het werkelijk geland is? Wellicht was de presentatie nog niet praktisch genoeg. In dit artikel behandelen de auteurs de stof op een alternatieve wijze met een (nog) groter beroep op inzicht en onder gebruikmaking van de vertrouwde werkwijze van de vakwerkanalogie. De presentatie is een ingekorte versie van een vollediger behandeling op Cementonline. Vergeleken met genoemde eerdere Cement-publicaties wordt nu meer aandacht geschonken aan hoe een en ander zijn weg kan vinden in programmatuur, zeker in de volledige versie.
De bestaande kennis voor schijfwapening is redelijk vertrouwd en wordt niet opnieuw afgeleid. De gebruikelijke berekening van momentwapening in platen volgens Wood-Armer [3] zal worden vervangen door de methode Marti [4]. Constructeurs zullen het toepassen van dwarskrachtwapening in platen zo veel mogelijk vermijden. Maar het kiezen van een grotere plaatdikte of hogere betonsterkteklasse is niet altijd de beste oplossing of is soms onmogelijk. Het toegankelijk maken van het dwarskrachtprobleem en de uitleg aan constructeurs en softwarebouwers is een belangrijk motief voor dit artikel. De geboden afleiding is getoetst door implementatie in het programma XFEM4U met vierhoekige hybride elementen, voor dit elementtype een herwaardering in de Nederlandse bouwwereld.
Dit artikel kent drie stappen. In stap 1 wordt het wapenen van schijven kort in herinnering geroepen. In stap 2 speelt die kennis een rol bij het bepalen van momentwapening. Het bepalen van dwarskrachtwapening in platen is het onderwerp van stap 3 dat wordt afgesloten met een toepassing ervan.
Een lineair-elastische EEM-berekening van schijven levert het verloop van de normaalkrachten nxx en nyy en de schuifkracht nxy, alle drie gedefinieerd per eenheid van plaatbreedte, aangrijpend in het middenvlak van de schijf en alle positief zoals getekend in figuur 1. De eveneens getekende schuifkracht nyx is gelijk aan nxy.
De constructeur berekent met zijn/haar EEM-software drie schijfkrachten, terwijl doorgaans maar in twee loodrechte richtingen wapening wordt toegepast. In dit artikel wordt uitgegaan van orthogonale wapening evenwijdig aan de x- en y-as. Doel is om de wapeningskrachten nsx en nsy per eenheid van breedte te bepalen op basis waarvan de wapeningsverhouding kan worden gekozen. Het subscript s staat hierbij voor staal (steel in het Engels). Voor het vaststellen van de wapening worden lokaal plastische overwegingen toegestaan. Het is triviaal welke wapening volgt uit de normaalkrachten nxx en nyy. Maar hoe op de schuifkracht nxy moet worden gewapend, ligt niet voor de hand, maar dat laat zich goed oplossen met een vakwerkmodel.
Figuur 2. De schuifkrachten nxy worden in een vakwerkmodel vervangen door horizontale puntlasten Nx en verticale Ny
Het linkerdeel van figuur 2 toont een schijfdeel met een homogene schuifkracht nxy per eenheid van lengte. In het rechterdeel van die figuur is een vervangend vakwerkmodel getekend met twee horizontale en twee verticale trekstaven, de volgetrokken lijnen. De krachten in deze staven worden opgenomen door wapening. In de diagonalen, de streepjeslijnen onder een hoek φ met de verticaal, werken betondrukkrachten. Voor de tangens van de hoek wordt het symbool k ingevoerd:
k = tan φ (1)
De horizontale en verticale trekstaven in het vakwerk hebben een positief teken. De diagonaalkracht is positief bij druk. Als de drie staafkrachten worden gedeeld door de respectieve onderlinge afstanden vindt men de wapeningskrachten nsx en nys en de diagonale betondrukkracht nc per eenheid van breedte. Samen met de triviale wapeningskrachten voor de schijfkrachten nxx en nyy worden de wapeningskrachten en diagonale betondrukkracht:
nsx = nxx + k | nxy |
nsy = nyy + k-1 | nxy | (2)
nc = (k + k-1) | nxy |
De schuifkracht nxy is voorzien van het absoluutteken om aan te geven dat de vergelijkingen zowel voor een positieve als een negatieve schuifkracht gelden. Bij een negatieve schuifkracht staan de diagonaalstaven alleen schuin in de tegenovergestelde richting. De wapeningshoeveelheid wordt minimaal voor k = 1, dus als de drukdiagonalen onder een hoek φ van 45° lopen. Maar de constructeur is niet gebonden aan de waarde k = 1 en mag deze binnen grenzen vrij kiezen. Voor k < 1 zullen de betondiagonalen meer verticaal staan en voor k > 1 meer horizontaal. Alle in Nederland gebruikte software voor het wapenen van schijven hanteren inmiddels wel deze regels en kunnen de betondrukkracht nc gebruiken voor de toetsing van de betondrukspanning.
Voorbeeld 1 (k = 1)
Bij wijze van voorbeeld worden de volgende schijfkrachten gekozen:
nxx = 495 kN/m
nyy = 400 kN/m
nxy = −330 kN/m
Met k = 1 worden de wapeningskrachten:
nsx = 495 + |−330| = 825 kN/m
nsy = 400 + |−330| = 730 kN/m
nc = (1+1) · |−330| = 660 kN/m
Voorbeeld 2 (k ≠ 1)
In het tweede voorbeeld wordt voor de schijfkracht nxx een negatieve waarde gekozen:
nxx = −495 kN/m
nyy = 400 kN/m
nxy = −330 kN/m
Zou weer k = 1 worden gekozen, dan vindt men:
nsx = −495 + |−330| = −165 kN/m
nsy = 400 + |−330| = 730 kN/m
nc = (1+1) · |−330| = 660 kN/m
De wapeningskracht nsx blijkt nu negatief te worden. Computerprogramma’s zullen in dat geval niet besluiten tot het toepassen van drukwapening, maar in de regel de betreffende wapeningskracht gewoon nul stellen. Een eleganter oplossing is om voor k een andere waarde dan 1 te kiezen, zó dat de wapeningskracht nul wordt. In het onderhavige voorbeeld volgt de k-waarde uit de vergelijking:
nsx = −495 + k · |−330| = 0
Dit leidt tot de grotere waarde k = 1,5, dus een waarde k -1 = 0,667 kleiner dan 1, waardoor de wapeningskracht in de y-richting reduceert tot:
nsy = 400 + 0,667 · 330 = 620 kN/m
De wapeningskracht 730 kN/m bij k = 1 wordt teruggebracht naar 620 kN/m, ofwel 15% kleiner. In x-richting is geen wapening nodig. De grotere waarde voor k betekent dat de drukdiagonaal flauwer helt. Het is een punt van aandacht dat de betondrukkracht nc groter wordt als k afwijkt van 1. In het beschouwde geval groeit nc van (1+1) · 330 = 660 kN/m bij k = 1 naar (1,500 + 0,667) · 330 = 715 kN/m bij k = 1,5, een toename van ruim 8%.
Eenzelfde aanpak is nodig als voor k = 1 een negatieve wapeningskracht in de y-richting volgt. Het kan ook voorkomen dat in geen van beide richtingen wapening nodig is. Dan is er sprake van druk in alle richtingen en zijn er twee hoofddrukkrachten, met absolute waarden nc1 en nc2 (nc2 > nc1) en is er geen scheurvorming. De grootste hoofddrukkracht nc2 moet worden getoetst aan de betondruksterkte.
De les van de twee voorbeelden kan algemener en strenger worden geformuleerd door in het algemeen vier verschillende schijfgevallen te onderscheiden en daarvoor de criteria en formules te programmeren:
- wapening nodig in twee richtingen
- wapening alleen nodig in x-richting
- wapening alleen nodig in y-richting
- drukspanningen in alle richtingen
Reacties