0

publicatie: Handreiking vervormingsgedrag van funderingen op staal

1 Inleiding

1 Inleiding

1.1 Algemeen

Bij het ontwerp van een bouwconstructie moet al in een vroeg stadium de wijze van funderen worden vastgelegd. Het type fundering, op palen of op staal (of een combinatie van beide) heeft namelijk invloed op het vervormingsgedrag van de er boven staande constructie.

Het ontwerp van op staal gefundeerde constructies is een deels geotechnisch en deels constructief probleem, waarvoor niet altijd een eenvoudige oplossing beschikbaar is. Dat is wellicht een reden dat in dergelijke gevallen vaak wordt overgegaan op een "starre" fundering op palen. Aangezien de aanlegkosten van een fundering op staal vaak lager zijn dan van een fundering op palen, is het aantrekkelijk dieper in te gaan op de mogelijkheden en problemen bij een fundering op staal. Een fundering op staal is een typisch interactie probleem. Het gedrag van de fundering wordt enerzijds bepaald door de grond en anderzijds door de constructie. Dat betekent dat in de opeenvolgende ontwerpfasen een goede en regelmatige afstemming noodzakelijk is tussen de betrokken geotechnicus en de constructeur.

De door de geotechnicus bepaalde veerstijfheid, de beddingsconstante, wordt door de constructeur in de dimensionering van de constructie toegepast. De beddingsconstante is echter geen grondparameter, die bijvoorbeeld eenvoudig uit een sondering of een laboratoriumproef kan worden bepaald. De bedding is afhankelijk van zowel de grondeigenschappen als van de afmetingen en stijfheid van de fundering en ook van de belasting of belastingtoename. De in de praktijk vaak gebruikte vuistregels voor de beddingsconstante, gebaseerd op bijvoorbeeld de conusweerstand, zijn daarom niet toereikend om een goede voorspelling van het gedrag van de fundering op te baseren. Met behulp van rekenmethoden en het volgen van de juiste procedures tijdens het ontwerp is het echter goed mogelijk een inzicht in dit gedrag te verkrijgen en te komen tot een economisch ontwerp.
De rekenmethoden variëren van eenvoudige handberekeningen tot meer gecompliceerde EEM berekeningen, afhankelijk van de complexiteit van de constructie en de ondergrond.

De constructeur ontwerpt een constructie volgens vigerende voorschriften. Het ontwerp voldoet als de (snede)krachten tijdens de levensduur van de constructie kunnen worden opgenomen, met de daaruit voortvloeiende veiligheidsmarges. De constructeur toetst of bijbehorende vervormingen binnen de grenswaarden vallen. De grenswaarden zijn projectafhankelijk, en de constructeur stelt de waarden vast aan de hand van het programma van eisen. Afhankelijk van het type constructie, het gebruik, de belastingen, de wensen van de opdrachtgever, en alle andere factoren, kan het ontwerp op verschillende manieren tot stand komen.
Grofweg zijn er drie ontwerprichtingen:

  1. Als het gaat om zettingen en funderingsgedrag kan de constructeur een aantal (worst-case) scenario's doorrekenen. Hierbij doet de constructeur conservatieve aannames waar de reactie van de fundering optreedt of juist niet optreedt. Dit levert een zware en daardoor relatief dure constructie op die door zijn robuustheid bestand is tegen variabele beddingen. In dit scenario is input van een geotechnisch adviseur beperkt. Variatie in de scenario's wordt dan meer ingegeven door vormgeving van de constructie en de (verwachte) zwakke onderdelen dan door de ondergrond.
  2. Het andere uiterste is een slappe constructie, die vervormingen makkelijk kan opnemen. De bruikbaarheid is hier mogelijk in het geding en er is kans op (bouwkundige) schades door zettingsverschillen. In dit geval is het belangrijk om de grootte van de zettingsverschillen (BGT) te bepalen. Voor dit aspect zal het gedrag van de ondergrond nader bepaald moeten worden. Hiervoor is inzet van geotechnisch adviseur vereist. Hier komt over het algemeen geen veiligheidsfilosofie bij kijken, dit gaat over gebruikswaarden.
  3. De praktijk ligt vaak ergens tussen deze twee scenario's in: om een economische, optimale, haalbare constructie te ontwerpen die toch voldoende stijf is, is goed inzicht in het gedrag van de ondergrond nodig om te kunnen bepalen wat reële (snede)krachten zijn die op kunnen treden tijdens de levensduur van de constructie. Dit kan ook voor bouwfases gelden! Hierbij is derhalve de veiligheidsfilosofie wel van belang.

Elk soort constructie, gefundeerd op staal, vergt een eigen aanpak, waarbij de kennis en ervaring van de constructeur en de geotechnisch adviseur tezamen bepalend zijn. In deze publicatie wordt daarom een stappenplan beschreven, waarbij deze twee elkaar vaak opzoeken.

1.2 Doel van de publicatie

Deze publicatie is opgezet met als doel om het vervormingsgedrag bij het ontwerp van funderingen op staal inzichtelijk en betrouwbaar te maken en tevens de constructieve veiligheid van de fundering te beschouwen. De bepaling van het in NEN 9997-1 beschreven bezwijkdraagvermogen blijft daarbij buiten beschouwing.

Omdat zowel constructeur als geotechnicus bij het ontwerpproces zijn betrokken, is een stappenplan voor het ontwerp opgesteld. Door te werken volgens deze opzet kan op een effectieve manier de interactie van grond en constructie worden vormgegeven. Naast de deformatie van de fundering is ook de constructieve veiligheid van de funderingsconstructie een belangrijk vraagstuk. In NEN 9997-1 wordt hiertoe een werkwijze gegeven in de vorm van een herverdeling van funderingsdrukken in de UGT berekening. Deze aanpak is in de praktijk echter niet goed bruikbaar gebleken. In deze publicatie is er voor gekozen in de UGT berekeningen van de funderingsconstructie een partiële factor op de beddingsconstante te hanteren. Dit sluit aan op de werkwijze van de Eurocode en is in de ontwerppraktijk goed bruikbaar.

De keuze van de partiële factor is gebaseerd op in de NEN 9997-1 gehanteerde waarden voor vergelijkbare constructies, zoals damwanden en uit vergelijking met andere Richtlijnen zoals de ROK. Onderbouwing met probabilistische berekeningen kon in het kader van deze werkgroep niet worden uitgevoerd. Deze publicatie heeft dan ook niet de status van een "Richtlijn", maar geeft wel adviezen omtrent de grootte van de partiële factor.

Deze publicatie beperkt zich niet tot traditionele staalfunderingen in zand, maar biedt ook mogelijkheden voor toepassing bij aanwezigheid van slappere lagen. De publicatie beperkt zich voornamelijk tot quasi-statisch belaste constructies. Zeer complexe funderingen, waarbij vaak specifieke omstandigheden en eisen gelden, zoals gecombineerde plaatstaalfunderingen en offshore constructies vallen buiten de scope van deze publicatie. Ook het ontwerp van op staal gefundeerde leidingen blijft buiten beschouwing.

1.3 Werkwijze commissie

Bij de start van de werkgroep is in een workshop een eerste inventarisatie van praktijkgevallen gedaan naar type project, toegepaste rekenmethode, ervaringen etc. Daarnaast is een literatuuronderzoek gedaan naar rekenmodellen voor eenvoudige en meer gecompliceerde gevallen. Op basis van deze eerste activiteiten is het stappenplan ontwikkeld. Daarin wordt beschreven op welke wijze het ontwerpproces van een staalfundering kan verlopen. Daarbij is ruime aandacht besteed aan de samenwerking tussen geotechnicus en constructeur tijdens het ontwerpproces.

Het stappenplan is vervolgens op praktische bruikbaarheid getoetst aan drie praktijkgevallen. Vervolgens is een veiligheidsfilosofie ontwikkeld, die aansluit op de in NEN 9997-1 gehanteerde werkwijze maar daarvan afwijkt door toepassing van partiële factoren op de beddingsconstante.

1.4 Leeswijzer

In hoofdstuk 2 wordt het stappenplan van het proces waarin geotechnicus en constructeur tot een gezamenlijk funderingsontwerp komen en uitgebreid toegelicht. Tevens wordt de veiligheidsfilosofie behandeld. In hoofdstuk 3 komen methoden voor de bepaling van de beddingsconstante aan de orde met enkele eenvoudige voorbeelden. Hoofdstuk 4 geeft praktische voorbeelden van de toepassing van het stappenplan voor het geval van een vloer met puntlast, een tunnel en een kraanbaan. De beschrijving van de achtergronden van de spanningsspreidingtheorie en het zettinggedrag van funderingen op staal, en van theoretische en praktische berekeningsmodellen hebben een plaats gevonden in hoofdstuk 5. In hoofdstuk 6 worden mogelijke uitvoeringsproblemen besproken. In de bijlagen is o.a. de uitwerking van de in hoofdstuk 3 en 4 opgenomen berekeningsvoorbeelden opgenomen.