Draagvermogen van funderingslagen en paalsystemen: M1-waarden en technische aandachtspunten

Bij het ontwerpen en uitvoeren van funderingen in de bouwsector is het draagvermogen van de verschillende lagen van essentieel belang. Dit geldt zowel voor traditionele wegconstructies als voor funderingen op palen. In dit artikel wordt ingegaan op de benodigde M1-waarden voor verschillende funderingslagen, de berekening van equivalente modulus, en de technische aandachtspunten bij de uitvoering van paalsystemen. Het doel is om een duidelijk overzicht te geven van de eisen en aanbevelingen die uit de bronnen zijn afgeleid.

Draagvermogens van funderingslagen en baanbed

In de context van wegconstructies is het draagvermogen een maat voor de stevigheid van het ondergrondse constructie. Dit draagvermogen wordt gemeten met de Belgische statische plaat en uitgedrukt in megapascal (MPa). Uit de bronnen is duidelijk dat er minimale eisen zijn voor de verschillende lagen van de fundering.

• Baanbed: Het minimale draagvermogen moet 17 MPa zijn.
• Onderfundering: Dit ligt op 35 MPa.
• Fundering: De vereiste M1-waarde is 110 MPa.

Deze eisen zijn niet willekeurig gekozen. Het draagvermogen van de onderliggende laag speelt een cruciale rol in het mogelijk maken van het bereiken van het vereiste draagvermogen op de bovenliggende laag. Zo is een draagvermogen van 17 MPa in het baanbed nodig om een onderfunderingslaag te kunnen verdichten met een dikte volgens het bestek en normale middelen. Op die manier kan het draagvermogen van 35 MPa in die laag worden bereikt.

Op dezelfde manier is een draagvermogen van 35 MPa in de onderfundering nodig om de funderingslaag effectief te verdichten en het vereiste draagvermogen van 110 MPa te bereiken. Deze funderingslaag is weer essentieel voor de juiste uitvoering van de verharding en het gedrag onder verkeersbelasting gedurende de levensduur.

Deze opbouw van draagvermogens zorgt voor een cumulatieve stevigheid van de constructie, waarbij elke laag het volgende niveau ondersteunt. Het is belangrijk dat deze eisen strikt worden nageleefd, zowel in de planning als in de uitvoering.

Equivalente modulus M1,eq en formule van Palmer en Barber

Bij het bepalen van het draagvermogen van een funderingsconstructie wordt vaak gebruikgemaakt van de formule van Palmer en Barber. Deze formule stelt in staat om een equivalente modulus M1,eq te berekenen, die het draagvermogen van de gehele structuur onder fundering en onderfundering weergeeft.

De formule wordt vooral toegepast bij constructies waarin meerdere lagen zijn aanwezig, zoals bij traditionele wegconstructies. Het doel van deze berekening is om het draagvermogen van de gehele constructie te bepalen, waarbij rekening wordt gehouden met de interactie tussen de verschillende lagen.

Hoewel de exacte formule niet verder uitgewerkt is in de bronnen, is het wel duidelijk dat het een essentieel hulpmiddel is bij het dimensioneren van funderingsconstructies. Het geeft een maat voor het cumulatieve draagvermogen, wat belangrijk is voor de stabiliteit en het gedrag onder belasting.

Paalsystemen en funderingen

Bij gebouwen en andere zwaardere constructies wordt vaak gekozen voor funderingen op palen. Dit is het geval wanneer de bodem niet voldoende draagvermogen biedt of wanneer de belastingen van het bouwwerk groter zijn dan wat een gewone fundering kan dragen.

De bronnen geven een uitgebreid overzicht van de aandachtspunten bij het ontwerpen en uitvoeren van paalsystemen. Een aantal belangrijke aspecten zijn:

1. Invloed van inbrengtechnieken op het draagvermogen

Het inbrengen van palen heeft invloed op de draagkracht en het vervormingsgedrag van de palen. Er zijn drie categorieën van inbrengmethoden:

• Inbrengmethode met grondverdringing: Hierbij wordt de grond opzij geduwd bij het inbrengen van de paal.
• Inbrengmethode met geen of geringe grondverdringing: Deze methode zorgt voor minder verstoring van de oorspronkelijke bodemgesteldheid.
• Inbrengmethode met grondverwijdering: Hierbij wordt de grond gedeeltelijk verwijderd om plaats te maken voor de paal.

De keuze van de inbrengmethode heeft directe gevolgen voor de draagvermogen en vervormingen van de paal. Daarom is het van essentieel belang om deze technische aspecten in overweging te nemen bij het ontwerpen van de fundering.

2. Wapening van palen

Wapening speelt een belangrijke rol bij paalsystemen, vooral bij belastingen die niet alleen verticaal, maar ook horizontaal of schorend werken.

Een aantal richtlijnen uit de bronnen zijn:

• Trekbelastingen: Als er sprake is van opheien of zwellen van de bodemlagen onder invloed van ontgraving, kan een trekbelasting in de paal ontstaan. In dergelijke gevallen moet de wapening doorgaans tot in de vaste funderingszandlaag reiken.
• Conusweerstand: In grondlagen waarin de conusweerstand kleiner is dan 1,0 MPa moet altijd wapening in de paal worden aangebracht. Dit is ook van toepassing bij samendrukbare pakketten of bij overschrijding van de rekenwaarde van de betonspanning van de schacht.
• Minimale lengte hoofdwapening: Voor de verbinding met de bovenliggende constructie moet de hoofdwapening minimaal 2,0 m lang zijn.

De wapening zorgt voor de nodige sterkte en duurzaamheid van de paal, vooral bij complexe belastingen.

3. Draagvermogen van paalpunten en conusweerstand

Het draagvermogen van paalpunten is afhankelijk van de grondcondities en de inbrengmethode. Uit de bronnen is gebleken dat er limieten zijn voor de maximale conusweerstand en paalpuntweerstand.

• Maximale paalpuntweerstand: De waarde pr;max;punt mag 15 MPa niet overschrijden.
• Conusweerstand in grind: In grind moet de conusweerstand, na rekening te hebben gehouden met effecten van overconsolidatie en ontgraving, worden afgesnot op 20 MPa.
• Avegaarpalen: Bij deze palen is een maximale conusweerstand van 2 MPa in traject III aan te houden, tenzij er aanvullende sonderingen zijn uitgevoerd.

Het is belangrijk om deze waarden in acht te nemen bij het dimensioneren van paalsystemen. Zij bepalen onder andere het maximale draagvermogen van de paal en de nodige lengte en wapening.

Technische aandachtspunten bij specifieke paaltypen

1. Houten palen

Houten palen worden in bepaalde gevallen gebruikt, vooral wanneer duurzaamheid en milieuvriendelijkheid belangrijk zijn. Echter, houten palen vereisen een zorgvuldige uitvoering.

• Grondwaterstand: Houten palen moeten worden aangebracht tot ten minste 0,4 m beneden de laagste grondwaterstand. Dit zorgt voor voldoende bescherming tegen rotting en vermindert de risico’s op vroegtijdige verdering.
• Verbindingen: Voor permanente constructies is het vaak noodzakelijk om de houten paal te verbinden met een geprefabriceerde betonoplanger. Dit zorgt voor een betere verbinding en vermindert de belastingen op de paal zelf.
• Belastingen: Horizontale belastingen, momenten, trekbelastingen en schoorstanden in houten palen moeten kritisch worden beoordeeld en zo ver mogelijk worden beperkt.

2. Stalen palen

Stalen palen zijn populaire keuze bij zwaardere constructies. Ze bieden een hoge sterkte en relatief lage kosten in vergelijking met betonpalen.

• Profielkeuze: Voor stalen palen worden vaak ronde buisprofielen gebruikt, maar ook I-profielen zijn mogelijk.
• Belastinggedrag: Stalen palen kunnen goed reageren op statische en dynamische belastingen, maar het is essentieel om rekening te houden met de slankheid van het bouwwerk en de verhouding tussen statische en dynamische belastingen.

3. Betonpalen

Betonpalen worden vaak gebruikt wanneer hoge druk- en trekbelastingen voorkomen. Ze zijn robuust en duurzaam, maar vereisen zorgvuldige uitvoering.

• Wapening: Bij overschrijding van de rekenwaarde van de betonspanning van de schacht moet drukwapening worden aangebracht tot de diepte waar de normaalkracht in de paal voldoende is verminderd.
• Inbrengtechniek: De inbrengtechniek bepaalt ook het gedrag van betonpalen. Hierbij is het van belang om te weten of het om een grondverdringende, grondverwijderende of andere methode gaat.

Statistische en dynamische veerconstanten

Bij het ontwerpen van funderingsconstructies is het nodig om rekening te houden met de veerconstanten. Deze geven aan hoe de grond reageert op belastingen en bepalen het vervormingsgedrag van de fundering.

1. Statische veerconstante

De statische veerconstante geeft het gedrag van de fundering onder statische belastingen. Uit de bronnen is een indicatie te halen:

De hogere waarden zijn vooral van toepassing op grondverdringende paalsystemen.

2. Dynamische veerconstante

In sommige gevallen is het nodig om ook rekening te houden met een dynamische veerconstante. Dit is het geval bij constructies die onderhevig zijn aan cyclische of kortdurende belastingen. Voorbeelden zijn stabiliteitsconstructies in gebouwen, windturbines en bruggen.

Er is echter geen duidelijke afbakening voor welke projecten deze aanvullende rekening nodig heeft. Het hangt af van meerdere factoren, zoals:

• Slankheid van het bouwwerk (verhouding van hoogte en grondoppervlak)
• Bouwmassa
• Stabiliteitsmethode
• Verhouding tussen statische en dynamische belastingen

Het is aan te raden om bij twijfel deze factoren zorgvuldig te beoordelen en eventueel een dynamische berekening uit te voeren.

Rekenwaarden en materialfactoren

In de dimensionering van funderingsconstructies worden rekenwaarden en materialfactoren gebruikt om het gedrag van de constructie te bepalen.

Een voorbeeld is het bepalen van de hoge rekenwaarde van de draagkracht van palen. Hierbij wordt een materiaalfactor van 1,0 gebruikt, in overeenstemming met tabel 3 van NEN 6740. De berekening is als volgt:

• Lage representatieve draagkracht: 2.520 kN
• Materiaalfactor: 1,0
• ξ: 0,9

De hoge rekenwaarde wordt berekend als:

2.520 x 1/0,9 x 1/0,9 x 1,0 = 3.111 kN

Deze berekening laat zien dat de hoge rekenwaarde aanzienlijk hoger kan liggen dan de lage representatieve waarde. Het is belangrijk om deze waarden in overweging te nemen bij het ontwerpen van funderingen, vooral bij complexe constructies of bij onzekerheden over de grondcondities.

Conclusie

De draagvermogens van funderingslagen en paalsystemen spelen een cruciale rol in de duurzaamheid en stabiliteit van bouwconstructies. Voor wegconstructies zijn er duidelijke eisen voor de minimale M1-waarden van het baanbed, onderfundering en fundering. Deze eisen zijn niet willekeurig, maar zijn afgeleid uit technische overwegingen over de interactie tussen de lagen.

Bij funderingen op palen is het van belang om rekening te houden met de inbrengtechniek, wapening, draagvermogen van paalpunten en conusweerstand. Deze aspecten bepalen het gedrag van de paal onder belasting en zijn essentieel voor het ontwerpen van een veilige en duurzame fundering.

Daarnaast is het gebruik van statische en dynamische veerconstanten belangrijk, vooral bij complexe of lichte constructies. Het bepalen van rekenwaarden en het toepassen van materialfactoren zorgen voor een beter inzicht in het gedrag van de fundering onder belasting.

In het kader van real estate, renovatie en bouw is het dus essentieel om deze technische aspecten zorgvuldig in overweging te nemen. Het betreft zowel de planning als de uitvoering van funderingsconstructies, waarbij elke stap van belang is voor de prestaties en levensduur van het bouwwerk.

Bronnen

1. BRRC - Formule van Palmer en Barber
2. Kennisbank CROW - Funderingen op palen