Het bevestigen van structurele componenten en van niet-structurele componenten aan dragende constructies, wordt miljoenen keren per dag uitgevoerd. Hiervoor moet de projectleider met het team het juiste bevestigingsmiddel kiezen, het correct (laten) berekenen en ontwerpen volgens de geldende normen.

In dit artikel wordt het rekenen met en de achtergrond van verankeringen in beton voor redundante niet-structurele systemen volgens EN 1992-4:2018 [1] en CEN/TR 17079 [2] behandeld. De kwalificatie die wordt gevolgd is de EAD 330747-00-0601 “Ankers voor gebruik in beton voor redundante niet-structurele systemen" [3].

Voordat we ingaan op de toepassing en het rekenen met redundantie, is er eerst een aantal begrippen dat nog wat meer uitleg vereist, namelijk de termen “redundant”, “niet-structurele systemen” en “veiligheidsrelevant”.

Wat wordt bedoeld met de term “veiligheidsrelevant” in de bevestigingstechniek?

Veiligheidsrelevante onderdelen of systemen zijn systemen waarvan het falen gevaar voor de mensen of ernstige economische schade tot gevolg kan hebben.

Wat wordt bedoeld met de term "niet-structurele systemen" in de bevestigingstechniek?
 
Een niet-dragend systeem is een constructie die niet bijdraagt aan de stabiliteit van de constructie, maar toch relevant kan zijn voor de veiligheid. Goede voorbeelden van niet-structurele, veiligheidsrelevante systemen zijn pijp- en ventilatiekanalen, verlaagde plafondconstructies en aan de achterzijde geventileerde gevels, zie figuur 1.
Structurele systemen daarentegen zijn bijvoorbeeld stalen balken die dienen als ondersteuning voor plafonds, omdat de stabiliteit van het gebouw of individuele verdiepingen in gevaar kan komen als (het bevestigingspunt van) dit onderdeel faalt.
 

Figuur 1: Voorbeelden van niet-dragende constructies
 
Wat is een redundant systeem (meervoudige bevestiging) in de bevestigingstechnologie?

Figuren 2a en 2b laten voorbeelden zien van het verschil tussen een klassieke eenpuntsbevestiging (Figuur 2a) en een redundant systeem (Figuur 2b).

Bij een zogenoemde redundante meerpuntsbevestiging (figuur 2b) zijn er “veel” bevestigingspunten. Onder extreme omstandigheden (bijv. bij grote scheurwijdten) kan er overmatig slippen of falen van één anker van het bevestigingspunt of een volledig bevestigingspunt optreden, waardoor de belasting wordt overgedragen op ten minste twee aangrenzende bevestigingspunten. Als dit bevestigingspunt faalt, mogen de bruikbaarheid en de belastbaarheid van het systeem niet significant aangetast worden, d.w.z. het systeem, de structuur of de bevestiging mag niet falen.

Om dit te bereiken, vereist het redundante systeem ten minste drie bevestigingspunten die voldoende stevig met elkaar verbonden zijn, bijvoorbeeld door buizen. Hierbij wordt de uitnutting van de toelaatbare buigspanning (de unity check) en doorbuiging in intacte toestand (d.w.z. in de toestand zonder het falen van het anker) relatief laag gehouden. Een bevestigingspunt kan uit slechts één anker bestaan, maar er kunnen ook meerdere ankers worden gebruikt voor een bevestigingspunt, waarbij het aantal ankers in het systeem kan variëren. De combinatie van het aantal bevestigingspunten en ankers per bevestigingspunt beperkt de maximaal mogelijke waarde van de ontwerpactie, zie tabel 2. Als het bevestigingspunt met de bijbehorende ankers in figuur 2b het zou begeven, zou dit niet leiden tot het falen van het systeem als gevolg van de herverdeling van de belasting, maar tot een nieuwe evenwichtstoestand. Dit zou anders zijn voor een bevestiging op één punt, zie figuur 2a.
 
Opmerking: Een ankerplaat met meer dan 1 anker is nog géén meervoudige bevestiging (zie figuur 3)

Figuur 2: Het verschil tussen een eenpuntsbevestiging en een redundant systeem in het geval van het falen van een bevestigingspunt.
 
De belangrijkste voor- en nadelen bij het ontwerpen van ankers voor gebruik in beton voor redundante niet-structurele systemen

Diameter en verankeringsdiepte
 
Elke meervoudige bevestiging ook worden ontworpen als een eenpuntsbevestiging, mits deze is ontworpen in overeenstemming met EN 1992-4:2018 [1] en de ankers ervan zijn gekwalificeerd voor een eenpuntstoepassing, bijvoorbeeld in overeenstemming met EAD 330232-01-0601 [4].
 
Binnen het kader van het EAD-concept EAD 330747-00-0601 "Anchors for use in concrete for redundant non-structural systems" [3] kunnen echter ankers worden goedgekeurd waarvan de diameter en toegestane verankeringsdiepte kleiner zijn dan de minimumafmetingen die in de EAD 330232-01-0601[4] worden vereist voor enkelvoudige bevestigingen, zie tabel 1. Een beperkte verankeringsdiepte kan de installatie van ankers aanzienlijk vergemakkelijken, met name in vloeren met veel wapening.
 
Het ophangen van redundante systemen omvat ook bevestigingen in geprefabriceerde, voorgespannen kanaalplaatvloeren. Voor voorgespannen kanaalplaatvloeren mag de minimale verankeringsdiepte van het anker gereduceerd worden tot een waarde die de functionaliteit van het bevestigingssysteem garandeert wanneer het anker in een flens (wand/dam) met een minimale dikte van 17 mm wordt geplaatst. In dit geval moet de minimale verankeringsdiepte die is gespecificeerd in de desbetreffende specificatie van de ETA en de toegestane positie van de bevestiging in de kanaalplaatplaat worden aangehouden.

Tabel 1: Vergelijking van toelaatbare toepassingslimieten voor meervoudige en eenpuntsbevestigingen.
 
Ontwerp

De onderwerpen die worden behandeld in EN 1992-4:2018 [1] / CEN/TR 17079 [2] in verband met redundante bevestigingssystemen hebben alleen betrekking op statische en quasi-statische belastinggevallen. Vermoeiings-, stoot- en seismische belastingen worden niet in het onderzoek meegenomen.
 
Een axiale drukbelasting op het bevestigingspunt wordt in het beton gebracht zonder aan te grijpen op het bevestigingspunt. De toelaatbare rekenwaarde van de werking op het bevestigingspunt (trek, afschuiving of een combinatie) moet beperkt worden tot de waarde FEd,lim. Aanbevolen waarden worden gegeven in CEN/TR 17079 [2], zie Tabel 2. De waarden voor FEd,lim, n1 (aantal bevestigingspunten) en n2 (aantal ankers per bevestigingspunt), zijn te vinden in de nationale bijlage per land. Deze ontwerpbenadering mag alleen worden gekozen als de ontwerpbelastingen op de bevestigingspunten beperkt zijn tot de opgegeven waarden en aan alle randvoorwaarden in de EN 1992-4:2018 [1] /CEN/TR 17079 [2] en de bijbehorende ETA's is voldaan.
 
De toegestane ontwerpwaarde van de kracht is aanzienlijk lager dan bij het ontwerpen als een eenpuntsbevestiging. Het voordeel is echter dat de verificatie van het enkelvoudige bevestigingspunt niet meer nodig is na een herverdeling van de belasting, omdat het geheel als systeem kan worden gezien i.p.v. als één bevestigingspunt. De ontwerpweerstand FRd van een bevestigingspunt wordt gespecificeerd in de respectievelijke ETA, afhankelijk van andere randvoorwaarden.
 
 

Tabel 2: Aanbevolen waarden voor FEd,lim, n1 en n2 volgens CEN/TR 17079 [2]. In de nationale bijlage van een land kunnen de gebruikte waarden voor FEd,lim, n1 en n2 worden gevonden.
 
 
Met

Figuur 3: Aantal bevestigingspunten (n1) en aantal bevestigingspunten (n2) 

De producten en oplossingen vanuit Hilti’s portfolio:
 
In Europa hebben bevestigingsmiddelen die gekwalificeerd zijn voor gebruik EAD 330747-00-0601 “Anchors for use in concrete for redundant non-structural systems” [4] een ETA gebaseerd op deze EAD of een verwijzing naar deze toepassing in hun ETA voor enkelpuntbevestigingen. Hilti biedt de volgende bevestigingssystemen met ETA (figuur 4 t/m 10):
 
·       Hilti HUS3 schroefanker
·       Hilti HKD inslaganker
·       Hilti DBZ Keilnagel DBZ
·       Hilti kunststof kozijnanker
·       Hilti HFB (d6)
·       Hilti HKH kanaalplaatanker voor lichte toepassing
·       Hilti HST4-R rvs segmentanker
 
 

Figuur 4: Hilti HUS3 schroefanker
 

Figuur 5: Hilti HKD inslaganker


Figuur 6: Hilti DBZ keilnagel
 

Figuur 7: Hilti kunststof kozijnanker

Figuur 8: HFB slaganker
 

Figuur 9: Hilti HKH kanaalplaatanker (exclusief te gebruiken in voorgespannen kanaalplaatplafonds)


Figuur 10: Hilti HST4-R rvs segmentanker (M8-M10)

Wat betekent dit voor jou als ontwerper van redundante systemen?
 
Bij redundante systemen, bijv. buis- en ventilatiekanalen, relingen, verlaagde plafondconstructies, wordt het falen van individuele bevestigingspunten gecompenseerd door naastgelegen bevestigingspunten. De ontwerpbenadering is over het algemeen zeer conservatief, wat de lage maximaal toelaatbare kracht per bevestigingspunt veroorzaakt (zie Tabel 2). In dit geval kunnen ankers echter worden gebruikt ondanks dat de diameter en toegestane verankeringsdiepte kleiner zijn dan de minimumafmetingen die vereist zijn voor individuele bevestigingen. Tegelijkertijd is er geen uitgebreide verificatie van het enkele bevestigingspunt nodig na herverdeling van de belasting, omdat hiermee rekening wordt gehouden door de beperking van de kracht. De benadering kan ook worden gebruikt voor bevestigingen in voorgespannen kanaalplaten. Hilti biedt talloze bevestigingssystemen voor redundante, veiligheidsrelevante constructies.
 
Bronnen:
 
[1] EN 1992-4:2018, Eurocode 2 - Design of reinforced and prestressed concrete structures - Part 4: Design of anchorages for fastenings in concrete; German version EN 1992-4:2018
 
[2] CEN/TR 17079: Design of fastenings for use in concrete - Redundant non-structural systems, English version, 2018
 
[3] European Assessment Document (EAD): 330747-00-0601 Fasteners for use in concrete for redundant non-structural systems, May 2018
 
[4] European Assessment Document (EAD): 330232-00-0601 Mechanical Fasteners for use in concrete, December 2019