De uitdaging
De klant gaf Lucideon de opdracht een reeks proeven te ontwikkelen om de sterkte te bepalen van muren die met bielzen waren geconstrueerd en deze te vergelijken met muren die met windverbanden waren geconstrueerd.
Wat wij leverden
In eerste instantie werden vier muren getest die balken bevatten, elk 8 m lang en 5 m hoog. De wanden werden gebouwd binnen een stalen frame en de wapeningsstaven werden gemonteerd in eenvoudige klampen die aan de kolommen aan elk uiteinde waren bevestigd. Ter vergelijking werden nog twee wanden met windverbanden op de hartlijn van de wand getest.
De eerste resultaten waren zeer bemoedigend, maar de ontwerpen waren opzettelijk conservatief in die zin dat extra bevestigingen en enige bedvoegwapening werden gebruikt. Een tweede soortgelijke fase werd uitgevoerd waarbij deze conservatieve maatregelen niet werden genomen. De resultaten waren eveneens bemoedigend, met een lichte verbetering in het geval van de hechtingsbalken. Er waren geen aanwijzingen voor scheurvorming als gevolg van krimp.
De ontwerpbenadering voor de onderbalken tussen de verbindingsliggers is rechttoe rechtaan en volgt de principes van EN 1996-1-1 en PD 6697. Het ontwerp van de liggers volgens BS 5628-2 bleek echter moeilijker en de controle op plotseling bezwijken door samendrukking, die in BS 5628-2 is opgenomen, beheerste het ontwerp en leidde tot overspanningsbeperkingen. Bij geen van de proeven was er sprake van plotseling bezwijken door samendrukking, en daarom werd een reeks proeven met wanden van geringe hoogte uitgevoerd, om enkele beperkende buigende momenten te bepalen die voor het ontwerp konden worden gebruikt. Van de vier uitgevoerde proeven werd het laagste resultaat gebruikt om een maximaal ultiem buigmoment te definiëren, voor gebruik in het ontwerp en dus was een bruikbaarheidscontrole niet nodig.
De specificatie van materialen, ontwerp en uitvoering werden allemaal samengebracht in een ontwerpgids, die in 2009 door Lucideon (toen Ceram) werd gepubliceerd.
Eerste toepassing
De eerste significante toepassing van het bond beam-systeem was in een groot datacentrum dat in Zuidoost-Engeland werd gebouwd. Het was een ideale toepassing voor het bond beam-systeem omdat het lange, ongecompliceerde reeksen van hoge muren bevatte, belast door een matig hoge zijdelingse belasting. Het centrum werd geconstrueerd als een robuuste ‘bunker’ van staal en beton met twee verdiepingen, volledig gebouwd binnen een groot gebouw met stalen frame. Het interieur was opgedeeld in kleinere kamers, met de eis dat een brand of explosie in een kamer zich niet zou uitbreiden naar de aangrenzende ruimtes.
Voor de constructie van de muren werd gekozen voor lange rijen van 140 dikke blokmuren, met een ontwerp zijdelingse belasting van 0,5 kN/m2. Deze muren waren meestal 6 m hoog, en het oorspronkelijke ontwerp bevatte bedwapening in elke laag plus 200 x 200 vierkante holle profielen op maximaal 4,5 m afstand. De totale hoeveelheid gebruikt metselwerk was 11.000 m2.
Door de invoering van hechtbalken werd de toegestane overspanning van de muren aanzienlijk vergroot, waardoor veel tussenliggende windverbanden kwamen te vervallen, hoewel er nog steeds windverbanden nodig waren naast deuropeningen en bij ongebruikelijke overspanningen. De metselaar meldde dat het gebruik van het bindbalksysteem een kostenbesparing opleverde van ongeveer 15% ten opzichte van een traditioneel windverbandsysteem.
Hoewel de bindbalken een veel grotere afstand tussen de windverbanden mogelijk maakten, was het niet mogelijk om ze geheel weg te laten. De volgende stap was het onderzoeken van een verticale versie van de bond beam.
Kolomproeven
Kolomproeven werden uitgevoerd op wat in wezen plaatselijk versterkt holle blokwerk was. In elk geval werden twee verticale stalen staven gebruikt in een enkel vallend blok.
Het voltooide systeem bestaat nu uit zowel balken als kolommen, afschuifstaven, klampen om wapeningsstaven te bevestigen aan bouwkolommen, en aan de verticale staven in de kolommen. Alle details, samen met de te gebruiken grensmomenten voor zowel liggers als kolommen, werden opgenomen in een herziene ontwerpgids.
Toepassing op het 2012 Aquatics Centre
Het complete systeem werd voor het eerst toegepast op het London 2012 Aquatics Centre. De wandontwerpen werden bemoeilijkt door verschillende factoren:
- het lagere niveau is een spelonkachtige ruimte en de meeste wanden waren 6-7m hoog
- de ontwerpers hadden een zijdelingse ontwerpbelasting van 0.5 kN/m2, met hogere belastingen ter hoogte van de balustrade langs de vluchtgangen
- veel van de muren waren niet over de volle hoogte en hadden dus geen beperking aan hun kop
- er waren grote hoeveelheden grote diensten verspreid op hoog niveau in de ruimtes, waardoor veel doorgangen door de muren over de volle hoogte ontstonden.
Bij het ontwerpen van het metselwerk van het Aquatics Centre betekende de sterkte die werd toegevoegd door het introduceren van verbindingsbalken dat de muren aanzienlijk verder konden overspannen dan de aanbevolen afstand tussen de bewegingsvoegen. Om deze beperking te vermijden, was het noodzakelijk om bedvoegwapening te introduceren.
Waarde voor de opdrachtgever
De onderverdeling van grote blokwerkwanden die aan hoge laterale belastingen worden onderworpen, kan worden bereikt zonder het uitgebreide gebruik van windverbanden. De combinatie van het ontwerp van de onderpanelen met behulp van Code Guidance en een ‘design by test’ benadering voor de verbindingsliggers en -kolommen heeft het mogelijk gemaakt een ultieme grenstoestand ontwerpbenadering te ontwikkelen, zonder de noodzaak van bruikbaarheidscontroles. Gedurende het testprogramma werden progressieve verbeteringen aangebracht aan de componenten van het systeem.
Het systeem werd zeer succesvol gebruikt op het complexe 2012 Aquatics Centre project. De metselaar meldde dat de blokkenmuren sneller en goedkoper werden opgetrokken dan met vergelijkbare traditionele systemen. Dit project toonde de waarde van het systeem aan voor toepassingen met lange of hoge muren met aanzienlijke zijdelingse belastingen. Verder onderzoek leidde tot betere richtlijnen voor de bepaling van de effecten van krimp.