KU Leuven bestudeert breedplaten – Getest en (zeer) goed bevonden

Meer dan 98 % van alle breedplaten die in Belgische vloeren worden gebruikt, dragen in één richting. In die gevallen zijn de voegen tussen naastliggende breedplaten niet-constructieve voegen. Wanneer de vloeren ontworpen zijn om in twee richtingen te dragen moeten de voegen echter in staat zijn om buigende momenten en dwarskrachten over te dragen. Men spreekt dan van constructieve voegen. Voor het opvangen van die buigende momenten wordt dwars over de voegen koppelwapening aangebracht die overlapt met de wapening in de breedplaten. Bij deze constructiewijze is er bovendien een tendens om fabrieksmatig holtevormers aan te brengen om het eigen gewicht van de vloer te beperken. Op Campus De Nayer (KU Leuven, Departement Burgerlijke Bouwkunde, afdeling Bouwmaterialen en Constructies) werden recent verschillende proefstukken met en zonder holtevormers onderworpen aan een reeks beproevingen om het gedrag van deze constructieve voegen onder buiging te beoordelen.

Massieve breedplaatvloeren

Om het gedrag onder buiging zo nauwkeurig mogelijk te kunnen beschrijven en zo goed mogelijk met de werkelijkheid overeen te laten stemmen, wordt gebruik gemaakt van een vierpuntsbuigproef. Hierbij wordt een plaat opgelegd op twee steunpunten waarna de vijzelkracht via een systeem van verdeelbalken wordt omgezet naar twee lijnlasten dwars over de beproefde elementen (fig. 1). Met deze proefopstelling treedt er ter plaatse van de voeg een maximum buigmoment op zonder dat er sprake is van een optredende dwarskracht.

De maximale afstand van de eerste tralieligger tot aan de voeg bedraagt in praktijk 400 mm. Bij één van de testen werd aan de ene kant van de voeg op 400 mm afstand omwille van meetdoeleinden de tralieligger vervangen door draadstangen met een equivalente stijfheid. Aan de ander kant van de voeg werden om dezelfde reden twee tralieliggers vlak naast de voeg aangebracht. Voorafgaand schaalonderzoek op tralieliggers [1] heeft aangetoond dat voor het testen van massieve vloeren de afmetingen van de proefstukken beperkt kunnen blijven. Voor de getoonde testopstelling bedraagt de overspanning 3,19 m en de afstand van last tot opleg 450 mm. De breedte van het proefstuk is 450 mm, de totale dikte bedraagt 230 mm en de dikte van de breedplaten 50 mm. Het proefstuk is voorzien van één voeg in het midden. De koppelwapening op de breedplaat (2Ø16 BE500, lengte 1.840 mm, geplaatst op afstandhouders van 6 mm) en de wapening in de breedplaat zijn op elkaar afgestemd om het bezwijken van de koppelwapening ter plaatse van de voeg te garanderen. Het aansluitvlak tussen de breedplaten en de opstortlaag kan als glad beschouwd worden.

Aan de hand van de gemeten materiaalkarakteristieken van het gebruikte beton (f_c = 24 N/mm²) en het staal (f_y = 589 MPa en f_t = 640 MPa) werden het breukmechanisme, de vloei- en bezwijklast voorspeld, respectievelijk F_calc,y = 151 kN en F_calc,u = 166 kN. Met toepassing van de gebruikelijke veiligheidsfactoren en karakteristieke materiaaleigenschappen kan ook de ontwerpwaarde van de bezwijklast in UGT (uiterste grenstoestand) berekend worden. De proefresultaten zijn samen met de voorspelde waarden weergegeven in het kracht-doorbuigingsdiagram van fig. 2. Gedurende de gehele duur van de proef werden geen trekkrachten geregistreerd in de draadstangen (equivalente tralieligger).

De theoretische lijn op fig. 2 geeft het voor­spelde gedrag op basis van de principes van NBN EN 1992-1-1 [2] waarbij wordt uitgegaan van een homogene massieve plaat zonder voeg. Bij een vijzellast van ongeveer 150 kN wordt effectief de vloeigrens van de koppelwapening bereikt waarna een horizontaal plateau in het kracht-doorbuigingsdiagram ontstaat.

Enkele bevindingen:

• De doorbuiging van de plaat kan zeer goed beschreven worden op basis van de elastische theorie met verwaarlozing van de invloed van de voeg. De plaat gedraagt zich zoals een homogene isotrope plaat.

• Er is een zeer goede overeenkomst tussen het ontwerpmodel en de gemeten waarden. De verhouding tussen F_test,y/F_calc,y en F_test,u/F_calc,u bedraagt 0,99 en 1,02. Vaak wordt een verhouding ≥ 0,95 als betrouwbaar aangezien [3]. Deze waarden zijn gebaseerd op 6 proeven op massieve vloeren met wisselende tralieliggerafstanden, draagrichting en betondekking.

• Vlak voor de breuk bedraagt de doorbuiging van het proefstuk 73 mm. Voor een overspanning van 3,190 m betekent dit L/44.

• De delaminatie van de breedplaat was tijdens de proef niet visueel waarneembaar. Op basis van de rekmetingen kan geconcludeerd worden dat de delaminatie stopte aan de eerste tralieligger. Op het globale gedrag van doorbuiging of overdrachtslengte van de koppelwapening is er geen effect.

De onderzoekers concluderen dat massieve breedplaatvloeren met constructieve voegen ten behoeve van het ontwerp benaderd kunnen worden als homogene vloeren.

Breedplaatvloeren met holtevormers

Fig. 3 toont een constructieve voeg tussen twee breedplaten met holtevormers. Verscheidene testen [4] hebben voor deze configuratie aangetoond dat een beperkte afstand tussen de voeg en de eerste tralieligger een aantal voordelen biedt: de lengte van de koppelwapening blijft beperkt en de invloed op de doorbuiging is verwaarloosbaar. In dat kader kan de TV 223 [5] in herinnering gebracht worden. Voor vloeren die in twee richtingen dragen vindt men hierin de uiterste waarden voor de afstand tussen de voeg en de eerste tralieligger. Op vraag van de firma Kerkstoel 2000+ nv, lid van FeBredal (Federatie van Belgische producenten van breedplaten en dubbele wanden), werd de constructieve voeg van twee breedplaatvloeren met holtevormers getest op ware schaal (zie fig. 1). Hierbij werd een overspanning van 5,7 m aangehouden, een totale plaatdikte van 290 mm en een breedte van 2,1 m. De afstand van last tot opleg bedraagt ditmaal 1.350 mm, de dikte van de breedplaten 70 mm. Beide proefstukken zijn voorzien van één constructieve voeg in het midden. De koppelwapening op de breedplaat (9Ø16 BE500, lengte 2.000 mm, geplaatst op afstandhouders van 6 mm) en de wapening van de breedplaat werden ook hier op elkaar afgestemd om het bezwijken van de koppelwapening ter plaatse van de voeg te garanderen. De eerste tralieliggers bevonden zich op een afstand van 90 mm van de voeg.

De twee proeven verschillen van elkaar door de oppervlakteruwheid van het aansluitvlak. Zowel een glad als een opgeruwd oppervlak werden getest. De resultaten zijn terug te vinden in fig. 4.

De proefstukken lijken iets stijver te reageren dan het theoretische model. Wellicht is dit te wijten aan de vereenvoudiging van de dwarssectie in dat theo­retische model waarbij geen rekening gehouden werd met het gunstige gevolg van de dwarse dammen.

Enkele bevindingen:

•  Het vervormingsgedrag kan weer zeer goed beschreven worden op basis van de elastische theorie met verwaarlozing van de invloed van de voeg. Er is geen invloed van de voegen of holtevormers merkbaar.

•  Er is weer een zeer goede overeenkomst tussen het ontwerpmodel en de gemeten waarden. De verhouding tussen F_test,u/F_calc,u bedraagt 1,04 en 1,01 voor respectievelijk een glad en ruw aansluitvlak.

• Vlak voor de breuk bedraagt de doorbuiging telkens ongeveer 90 mm. Voor een overspanning van 5,7 m betekent dit L/63.

•  Er werd geen noemenswaardige delaminatie vastgesteld.

• Tussen het kracht-doorbuigingsverloop van de proefstukken met een ruw en glad aansluitvlak is er enkel in het na-piek gedrag (> 45 mm vervorming of L/127) een verschil te merken. De curve van het proefstuk met een ruw oppervlak laat een duidelijk plateau zien.

De onderzoekers concluderen dat breedplaatvloeren met holtevormers en constructieve voegen ten behoeve van het ontwerp geen bijzondere benadering behoeven. Ze kunnen berekend worden als homogene massieve vloeren met reducties voor eigen gewicht, buigstijfheid en scheurmoment. Zoals bij massieve breedplaatvloeren is bij het gerapporteerde systeem met de juiste detaillering de sterkte van de koppelwapening maatgevend en kan het systeem toegepast worden in vloeren dragend in twee richtingen, zoals vlakke plaatvloeren.

Algemeen besluit

Met het beschikbare arsenaal aan rekenregels en detailleringen kan het gedrag van een breedplaatvloer goed voorspeld en bijgevolg ook goed ontworpen worden. Naar schematisering toe is het ontwerp zoals bij een homogene isotrope vloer aan te bevelen om tot een goede voorspelling van het gedrag en een economisch ontwerp van de structuur te komen. Breedplaatvloeren met holtevormers die voldoen aan de eisen van [5] en [6] kunnen eveneens ontworpen worden als massieve vloeren. Overeenstemmende aanpassingen van eigen gewicht, buigstijfheid en scheurmoment zijn dan uiteraard aangewezen. (Tom MOLKENS, BHE)

Dit artikel is tot stand gekomen met de logistieke steun van Kerkstoel 2000+ nv, de begeleiding van prof. Ann Van Gysel, het personeel van het labo en de inzet van twee masterstudenten Robbe Geerts en Siebe Vanhoutte [1] uit het academiejaar 2019-2020. Aan allen dank voor de geleverde bijdrage.

Bibliografie

[1] R. Geerts en S. Vanhoutte, Voegweerstand bij breedplaatvloeren, Sint-Katelijne-Waver: KU Leuven, FIIW, 2020.
[2] NBN EN 1992-1-1, Ontwerp en berekening van betonstructuren – Deel 1-1: Algemene regels en regels voor gebouwen (+AC 2008), Brussel: NBN 2005.
[3] NBN EN 1168+A3, Geprefabriceerde betonproducten – Holle vloerplaten, Brussel: NBN, 2011.
[4] T. Molkens en A. Van Gysel, ”Behaviour of joints in lattice plank profiles with voiding elements,” in fib symposium, Krakau, 2019.
[5] TV 223, ”Draagvloeren in niet-industriële gebouwen,” WTCB, Brussel, 2002.
[6] NBN B21-606, Geprefabriceerde betonproducten – Breedplaten voor vloersystemen – Nationale aanvulling bij NBN EN 13747+A2:2010 en bij NBN EN 15050+A1: 2012, Brussel: NBN, 2019.