BESCHOUWING VAN GESCHEURD BETON BIJ HET ONTWERP VAN ACHTERAF AANGEBRACHTE ANKERS

1. Wat is gescheurd beton?

Joseph Monier, een Franse tuinman uit de 19e eeuw, was een pionier in de ontwikkeling van gewapend beton. Later maakte G. A. Wayss, een Duitse civiel ingenieur en pionier op het gebied van ijzer- en staalbetonconstructies, als eerste commercieel gebruik van gewapend beton en droeg hij bij aan de verdere ontwikkeling van het wapeningssysteem van Monier. Hij vestigde dit als een goed ontwikkelde wetenschappelijke technologie: staal neemt trekspanningen op, terwijl beton alleen drukweerstand levert.

Beton heeft van nature een hoge druksterkte, maar een lage treksterkte. Wanneer het wordt blootgesteld aan trekkrachten, is het gevoelig voor scheurvorming (Fig. 1.1). Gescheurd beton verwijst naar beton waarin zichtbare scheuren zijn ontstaan als gevolg van interne of externe spanningen, d.w.z. doorgaans ten minste 0,1 – 0,3 mm breed. Deze scheuren kunnen ontstaan door constructieve belastingen, thermische uitzetting, krimp, kruip of omgevingsinvloeden.

Vanwege de lage treksterkte van beton nemen wapeningen in gescheurd beton doorgaans de trekspanningen op. De drukspanningen in het betongebied dat niet door scheuren wordt beïnvloed, blijven relatief ongestoord en volgen een ongeveer lineair spanningsverdelingspatroon (Fig. 1.2). Wanneer een scheur ontstaat, wordt de trekspanning aan de scheurpunt aanzienlijk hoog, terwijl de spanning binnen het gescheurde gebied vrijwel tot nul afneemt. Tussen scheuren ondervindt het beton nog steeds enige trekspanning als gevolg van de hechting tussen beton en wapening, die geleidelijk afneemt naarmate de afstand tot de scheur groter wordt. Moderne ontwerpnormen voor gewapend beton vereisen een wapeneringsdetailering die ervoor zorgt dat de scheurwijdten bij maximaal toelaatbare statische en quasi-statische gebruiksbelastingen (d.w.z. permanente belastingen plus een deel van de veranderlijke belasting) niet groter zijn dan 0,3 mm tot 0,4 mm. Onder incidentele belastingen, zoals seismische belastingen, kunnen scheurwijdten oplopen tot 0,5 mm tot 0,8 mm.

2. Waarom is gescheurd beton een belangrijke overweging bij het ontwerpen van ankers?

2.1 Effect van scheuren op de prestaties van ankers

Verschillende belastingsomstandigheden van betonconstructies veroorzaken verschillende trekzones en afhankelijk van de plaatsing van het anker worden de prestaties beïnvloed (Fig. 2.1).

Over het algemeen is het zeer waarschijnlijk dat scheuren die ontstaan in een betonconstructie het anker rechtstreeks of zijdelings kruisen (Fig. 2.2), waardoor de radiale spanningen in het beton door de scheur worden onderbroken (Fig. 2.4 a)). Dit komt doordat er hogere trekspanningen rond het anker aanwezig zijn als gevolg van de ringvormige spanningen die samenhangen met de voorspanning en belasting van het anker, evenals de spanningsconcentratie die wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van het ankergat (kerfeffect) (Fig. 2.3 a)). Bovendien is de kans groot dat scheuren ontstaan ter plaatse van het anker, doordat de betonmatrix wordt verzwakt door de bevestiging zelf (Fig. 2.3 b)).

Fig. 2.4 b) toont een typische belasting-verplaatsingscurve in gescheurd en ongescheurd beton onder trekbelasting. In ongescheurd beton is de verplaatsing veel kleiner dan in gescheurd beton en is de belastingscapaciteit hoger. Een uitgebreide analyse van het gedrag van bevestigingsmiddelen in gescheurd versus ongescheurd beton is gedocumenteerd door Eligehausen et al. ([1]).

De kwalitatieve invloed van scheuren in beton op de uittrekweerstand en verplaatsingen van achteraf geïnstalleerde ankers wordt weergegeven in Tabel 2.1.

2.2 Hoe worden de prestaties van ankers in gescheurd beton beoordeeld?

Europese en Amerikaanse richtlijnen definiëren welke testen moeten worden uitgevoerd om de prestaties van ankers bij bepaalde scheurwijdten te beoordelen. Een voorbeeld van een testprogramma uit EAD 330232 [2] en AC 193 [3] voor achteraf geïnstalleerde mechanische ankers wordt weergegeven in Tabel 2.2.

De scheurwijdten die worden gebruikt bij kwalificatietesten zijn gebaseerd op gedegen onderzoek naar scheurwijdten die in constructies zijn gemeten bij de bruikbaarheidsgrenstoestand (SLS) en de uiterste grenstoestand (ULS), zoals weergegeven in Fig. 2.5 en Fig. 2.6.

Veranderlijke belasting kan een aanzienlijke invloed hebben op scheurvorming in beton ter plaatse van ankers. Bij herhaalde belastingscycli wordt de scheur breder en zet deze zich verder voort (Fig. 2.7). Dit kan leiden tot een vermindering van de weerstand van het anker en geleidelijk loskomen of een toename van de vervorming, waardoor de betrouwbaarheid van de verbinding afneemt. Hoewel ankers de neiging hebben om uit te glijden tijdens het openen en sluiten van scheuren, staan scheurcyclustesten (Fig. 2.8) een maximale verplaatsing van het anker van 3 mm toe na 1000 scheurcycli. Hiermee wordt rekening gehouden met een verwachte ontwerplevensduur van 50 jaar. Moderne beoordelingscriteria vereisen een groter aantal cycli wanneer de verbinding is ontworpen voor een langere levensduur (bijvoorbeeld 100 jaar).

3. Wat zeggen normen over de beschouwing van gescheurd beton bij het ontwerp van ankers?

De ontwerpnormen, zowel EN 1992-4 [7], par. 4.5 en 4.7 als ACI 318 [8], par. 17.10.5.4, bevelen aan om bij het ontwerp van achteraf geïnstalleerde ankers uit te gaan van gescheurd beton, tenzij kan worden aangetoond dat het beton gedurende de volledige gebruiksduur ongescheurd blijft (constructiedelen die onder permanente belastingen continu op druk worden belast). EN 1992-4 [7] geeft daarnaast enige richtlijnen voor het beschouwen van ongescheurd beton bij het ontwerp van ankers in vergelijking (4.4).

VERGELIJKINGEN!!!!!

Daarnaast moet volgens EN 1992-4 par. 9.2.2 en ACI 318 par. R17.10.5.4 het ontwerp van ankers voor seismische belastingen uitsluitend worden uitgevoerd voor gescheurd beton. Volgens EN 1992-4 par. D.1 moeten ankers die worden blootgesteld aan brand bovendien beschikken over een ETA voor toepassing in gescheurd beton. Het vaststellen dat het basismateriaal onder alle omstandigheden uit ongescheurd beton bestaat, is uiteraard vrij omslachtig. Daarom wordt aanbevolen om bij het ontwerp van achteraf geïnstalleerde ankers altijd van gescheurd beton uit te gaan.

De vergelijkingen in EN 1992-4 [7] voor de berekening van de weerstand tegen verschillende bezwijkvormen onder trekbelasting laten duidelijk het verschil zien in de karakteristieke waarde voor gescheurd en ongescheurd beton (Tabel 3.1).

Daarnaast moet volgens EN 1992-4 par. 9.2.2 en ACI 318 par. R17.10.5.4 het ontwerp van ankers voor seismische belastingen uitsluitend worden uitgevoerd voor gescheurd beton. Volgens EN 1992-4 par. D.1 moeten ankers die worden blootgesteld aan brand bovendien beschikken over een ETA voor toepassing in gescheurd beton. Het vaststellen dat het basismateriaal onder alle omstandigheden uit ongescheurd beton bestaat, is uiteraard vrij omslachtig. Daarom wordt aanbevolen om bij het ontwerp van achteraf geïnstalleerde ankers altijd van gescheurd beton uit te gaan.

De vergelijkingen in EN 1992-4 [7] voor de berekening van de weerstand tegen verschillende bezwijkvormen onder trekbelasting laten duidelijk het verschil zien in de karakteristieke waarde voor gescheurd en ongescheurd beton (Tabel 3.1).

4. Hoe ontwerp je ankers voor gescheurd beton?

De gebruiksvriendelijke, cloudgebaseerde constructieve ontwerpsoftware PROFIS Engineering van Hilti biedt ontwerpmogelijkheden voor zowel gescheurd als ongescheurd beton. In de ontwerpinvoer, onder het tabblad “Basismateriaal”, moet de selectie worden ingesteld op gescheurd beton. Vervolgens worden geschikte achteraf geïnstalleerde ankers weergegeven die voldoen aan de gewenste belastingscriteria, de vereisten voor gescheurd beton en andere randvoorwaarden. De gebruiker kan een keuze maken uit deze opties en vervolgens het ontwerp verder uitwerken en een analyse uitvoeren om de resultaten te bekijken (Fig. 4.1). Meer details over de stapsgewijze ontwerpmethode in PROFIS Engineering worden toegelicht in het Hilti Steel-to-Concrete Handbook [9].

5. Conclusie

Over het algemeen zijn scheuren in beton te verwachten en kan de waarschijnlijke locatie van deze scheuren ter plaatse van een anker eenvoudig worden voorspeld. Dit impliceert een vermindering van de belastingscapaciteit of zichtbare verplaatsingen. Wij raden aan om bij het ontwerp altijd uit te gaan van gescheurd beton, tenzij het gaat om toepassingen waarbij duidelijk is dat het beton nooit aan trekspanningen wordt blootgesteld, zoals lichte bevestigingen op voorgespannen betonelementen (wat in elk geval moet worden aangetoond). In alle andere gevallen dienen ankers te worden gebruikt die zijn gekwalificeerd voor toepassing in beton onder trekbelasting, zodat de veiligheid door een correct ontwerp kan worden gewaarborgd. Oplossingen waarvan de prestaties onder deze omstandigheden niet zijn beoordeeld, kunnen geen adequate betrouwbaarheid garanderen.

Om te beginnen met ontwerpen, bezoek https://profisengineering.hilti.com/

Referenties

[1] R. Eligehausen, R. Mallee and J. Silva, Anchorage in Concrete Construction, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 2006.

[2] EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021.

[3] AC 193: ACCEPTANCE CRITERIA FOR MECHANCIAL ANCHORS IN CONCRETE ELEMENTS, ICC Evaluation Service, 2009.

[4] K. Bergmeister, Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, PhD Thesis, Germany: University of Innsbruck, 1988.

[5] P. Schiessl, Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 1986.

[6] R. Eligehausen and A. Bozenhardt, Crack widths as measured in actual structures and conclusions for the testing of fastening elements., Germany: Univeristy of Stuttgart, Institute of Construction Materials, 1989.

[7] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.

[8] ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete, Farmington Hills: American Concrete Institute, 2019. \

[9] S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.