Invloed van rotatiestijfheid van fundering op stabiliteit van bouwconstructies

Bij de ontwikkeling en berekening van gebouwen speelt de rotatiestijfheid van de fundering een belangrijke rol in de stabiliteit van de constructie. Vooral in gevelbuisconstructies, wanden, kernen en raamwerken kan de rotatiestijfheid van de fundering aanzienlijk invloed hebben op de uitbuiging en vervorming van het gebouw. Dit artikel biedt een overzicht van de resultaten van een onderzoek naar de invloed van de rotatiestijfheid van funderingen op verschillende stabiliteitsconstructies, met aandacht voor de invloed op uitbuiging, vuistregels voor het ontwerp en het verband tussen gebouwhoogte en rotatiestijfheid.

Inleiding

De rotatiestijfheid van de fundering bepaalt hoe ver een gebouw kan vervormen onder invloed van externe krachten zoals windbelasting. In de berekeningen van stabiliteitsconstructies wordt vaak uitgegaan van volledig in de fundering ingeklemde stabiliteitselementen, terwijl de rotatiestijfheid vaak verwaarloosd of benaderd wordt. Dit artikel onderzoekt de werkelijke invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de stabiliteit van verschillende types constructies. Het biedt een overzicht van de aandeel van rotatiestijfheid in de totale uitbuiging van het gebouw, afhankelijk van het type constructie en de hoogte van het gebouw. Daarnaast worden vuistregels gepresenteerd om in de vroege fase van het ontwerp een inschatting te maken van de benodigde stijfheid van stabiliteitsconstructies.

Invloed van rotatiestijfheid op uitbuiging van gebouwen

De rotatiestijfheid van de fundering heeft een directe invloed op de uitbuiging van een gebouw. Bij windbelasting ontstaat een moment aan de voet van het gebouw, dat wordt opgenomen door de inklemming in de funderingsconstructie. Dit moment gaat gepaard met een vervorming, berekend als:

$$ \text{rotatie} = \frac{\text{windmoment}}{\text{rotatiestijfheid}} $$

De toegestane hoekverdraaiing en uitwijking van een gebouw zijn uiteraard aan een maximum gebonden. De grootte van de rotatiestijfheid is niet eenvoudig vast te stellen, omdat hierop een groot aantal factoren van invloed is, zoals de kelderconstructie, de funderingsplaat, de palen en de ondergrond.

Om bij het ontwerpen van draagconstructies inzicht te krijgen in de invloed van de rotatiestijfheid, is een onderzoek gedaan naar:

• De grootte van de rotatiestijfheid van funderingen van uiteenlopende typen gebouwen en de invloed ervan op de totale constructie.
• De mogelijkheid om hieruit vuistregels voor het ontwerpen van stabiliteitsconstructies te ontwikkelen.

Typen draagconstructies en invloed van rotatiestijfheid

Bij het onderzoek zijn vier verschillende stabiliteitsconstructies met bijbehorende paalfunderingen ontworpen: raamwerken, wanden, kernen en gevelbuizen. Door middel van een parameterstudie zijn per type draagconstructie de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de uitbuiging aan de top onderzocht.

Raamwerken

Toenemende gebouwhoogte maakt het stabiliteitsprobleem bij raamwerkconstructies groter, vanwege zowel de grote horizontale krachten als de beperkingen van de afmetingen van kolommen en balken. Omdat dergelijke constructies nauwelijks hoger dan 10 verdiepingen worden gebouwd, is bij dit type de hoogte niet als variabele ingevoerd, en is in de berekeningen uitgegaan van een gebouw van 10 verdiepingen (36 m). Bij deze hoogte bleek de invloed van de rotatiestijfheid op de totale uitbuiging van het gebouw circa 5% te bedragen.

Wanden

Bij de stabiliteitsconstructie met wanden is een stabiliteitswand aangebracht bij de kopgevels. De vloeren dragen van langsgevel naar langsgevel. Het paalplan voor een gebouwhoogte van 10 verdiepingen is aangegeven in de onderzoeksmateriaal. Het gebouw is berekend voor hoogten van 36, 54, 72 en 96 meter, waarbij de wanden en fundering telkens zijn aangepast. Bij deze constructie blijkt dat de invloed van de rotatiestijfheid op de totale uitbuiging van het gebouw varieert tussen 15% en 35%.

Kernen

Voor de stabiliteit van het gebouw wordt bij de kernconstructie een centrale kern gebruikt, verendingeklemd in de fundering. De afmetingen van de kern zijn 7,2 x 6 m² (hartmaten) bij een gebouwhoogte van tien verdiepingen. Uitgangspunt is een torsiestijve constructie. Ook hier zijn kernen en fundering aangepast bij toenemende hoogten. De invloed van de rotatiestijfheid op de uitbuiging van het gebouw bij deze stabiliteitsconstructie varieert tussen 20% en 45%.

Gevelbuis

Bij de gevelbuisconstructie wordt de sterkte en stijfheid ontleend aan de gevel; er ontstaat een stijve koker rondom het gebouw. Indien het gebouw loodrecht op de langsgevel door wind wordt belast, zal een deel van de langsgevels meewerken. Doordat de regels vervormen, treedt dwarskrachtverlies op, waardoor de buiswerking niet 100% effectief is. Het gebouw bestaat uit dragende gevelelementen, de vloeren spannen van langsgevel tot langsgevel. Voor het berekenen van de krachten in de gevelbuis is deze geschematiseerd als aangegeven in de onderzoeksmateriaal. Afhankelijk van de hoogte varieert de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de totale uitbuiging van 10% tot 30%.

Invloed van gebouwhoogte op rotatiestijfheid

Een belangrijk aspect van het onderzoek was het onderzoeken van de invloed van de gebouwhoogte op de rotatiestijfheid van de fundering. Het blijkt dat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering afneemt naarmate de hoogte van het gebouw toeneemt. Voor de gevelbuisconstructie bijvoorbeeld is bij een hoogte van tien verdiepingen de invloed van de rotatiestijfheid op de totale uitbuiging circa 30%, terwijl deze invloed bij hogere gebouwen afneemt. Bij een kernconstructie is de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering relatief groot, omdat de fundering onder de kernconstructie in het algemeen de geringste rotatiestijfheid bezit.

Vuistregels voor het ontwerp van stabiliteitsconstructies

Om in de fase van het voorlopig ontwerp de grootte van kernen te kunnen benaderen of ontworpen stabiliteitskernen snel en eenvoudig te kunnen controleren, zijn enkele vuistregels ontwikkeld. Deze vuistregels zijn gebaseerd op de resultaten van het onderzoek naar de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de stabiliteit van verschillende constructietypen.

De vuistregels geven een inschatting van het aandeel van de rotatiestijfheid van de fundering op de totale uitbuiging van het gebouw, afhankelijk van het type constructie:

• Kern: 20 – 45%
• Wanden: 15 – 35%
• Gevelbuis: 10 – 30%
• Raamwerk: 0 – 5%

Deze waarden kunnen worden gebruikt bij het ontwerpen van stabiliteitsconstructies om een snelle inschatting te maken van de benodigde stijfheid van de fundering. De vuistregels zijn echter slechts richtlijnen en moeten worden bevestigd door gedetailleerde berekeningen bij het eindontwerp.

Toepassing in de praktijk

De resultaten van het onderzoek hebben directe toepassing in de praktijk van het ontwerpen en berekenen van stabiliteitsconstructies. Voor bouwers en ontwerpers is het belangrijk om rekening te houden met de rotatiestijfheid van de fundering, vooral bij kernen, wanden en gevelbuizen. Deze constructietypen zijn gevoeliger voor de rotatiestijfheid van de fundering dan raamwerkconstructies, waarbij de invloed van de rotatiestijfheid vrijwel verwaarloosbaar is.

Bij het ontwerpen van een gebouw met een kern als stabiliteitsconstructie is het bijvoorbeeld essentieel om de rotatiestijfheid van de fundering nauwkeurig te bepalen, omdat deze constructie het grootste aandeel heeft in de totale uitbuiging. Bij een gevelbuisconstructie is de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering ook aanzienlijk, maar minder dan bij de kernconstructie.

Voor raamwerkconstructies is de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering verwaarloosbaar. Hierbij is het belangrijk om te controleren of deze invloed daadwerkelijk verwaarloosbaar is, vooral bij hogere gebouwen.

Invloed van funderingsconstructie op rotatiestijfheid

De rotatiestijfheid van de fundering wordt bepaald door diverse factoren, zoals de kelderconstructie, de funderingsplaat, de palen en de ondergrond. Deze elementen hebben directe invloed op de rotatiestijfheid en moeten daarom nauwkeurig worden bepaald bij het ontwerp van de fundering.

Voor kernen en gevelbuizen is het gebruik van een torsiestijve fundering aan te raden, omdat deze constructietypen gevoeliger zijn voor rotatievervormingen. Bij raamwerkconstructies is dit minder belangrijk, omdat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering klein is.

Het is belangrijk om bij het ontwerpen van de fundering te rekening houden met de verwachte windbelasting en de stabiliteitsconstructie. Bij een hogere windbelasting is een hogere rotatiestijfheid vaak noodzakelijk om de uitbuiging van het gebouw binnen de toegestane grenzen te houden.

Invloed van windbelasting op rotatiestijfheid

Windbelasting speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de rotatiestijfheid van de fundering. Bij windbelasting ontstaat een moment aan de voet van het gebouw, dat wordt opgenomen door de inklemming in de funderingsconstructie. De rotatiestijfheid bepaalt hoe ver het gebouw kan vervormen onder deze krachten.

De toegestane hoekverdraaiing en uitwijking van een gebouw zijn uiteraard aan een maximum gebonden. Bij een hogere windbelasting is het vaak noodzakelijk om een hogere rotatiestijfheid te garanderen, vooral bij gevelbuis- en kernconstructies.

Het onderzoek geeft aan dat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de uitbuiging van het gebouw toeneemt bij lage gebouwen en afneemt bij hogere gebouwen. Dit is een belangrijk aspect bij het ontwerpen van stabiliteitsconstructies, omdat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering afhangt van de hoogte van het gebouw.

Invloed van palen op rotatiestijfheid

Bij het ontwerpen van de fundering worden vaak palen gebruikt om de rotatiestijfheid van de fundering te verhogen. De invloed van palen op de rotatiestijfheid is afhankelijk van de lengte, diameter en afstand tussen de palen. Bij het onderzoek zijn verschillende paalplannen geëvalueerd om de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering te bepalen.

Bij kernen en gevelbuizen is het gebruik van palen aan te raden om de rotatiestijfheid van de fundering te verhogen. Bij raamwerkconstructies is de invloed van palen op de rotatiestijfheid verwaarloosbaar, omdat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de uitbuiging van het gebouw klein is.

Het is belangrijk om bij het ontwerpen van de fundering te rekening houden met de lengte en afstand tussen de palen. Een grotere afstand tussen de palen kan leiden tot een lagere rotatiestijfheid van de fundering, terwijl een kleinere afstand kan leiden tot een hogere rotatiestijfheid.

Invloed van kelderconstructie op rotatiestijfheid

De kelderconstructie speelt ook een rol bij het bepalen van de rotatiestijfheid van de fundering. Een stevige kelderconstructie kan de rotatiestijfheid van de fundering verhogen, terwijl een minder stevige kelderconstructie leidt tot een lagere rotatiestijfheid. Dit is een belangrijk aspect bij het ontwerpen van stabiliteitsconstructies, omdat de rotatiestijfheid van de fundering direct invloed heeft op de uitbuiging van het gebouw.

Bij kernconstructies is het aan te raden om een stevige kelderconstructie te gebruiken om de rotatiestijfheid van de fundering te verhogen. Bij gevelbuisconstructies is dit minder belangrijk, omdat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de uitbuiging van het gebouw minder groot is.

Het is belangrijk om bij het ontwerpen van de kelderconstructie te rekening houden met de verwachte windbelasting en de stabiliteitsconstructie. Bij een hogere windbelasting is een stevige kelderconstructie vaak noodzakelijk om de uitbuiging van het gebouw binnen de toegestane grenzen te houden.

Conclusie

De rotatiestijfheid van de fundering heeft een aanzienlijke invloed op de stabiliteit van bouwconstructies, vooral bij kernen, wanden en gevelbuizen. Deze invloed is afhankelijk van het type constructie en de hoogte van het gebouw. Bij raamwerkconstructies is de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering verwaarloosbaar.

Het onderzoek heeft aangetoond dat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering op de uitbuiging van het gebouw varieert per constructietype. Bij een kernconstructie is het aandeel van de rotatiestijfheid van de fundering het grootst, terwijl bij een raamwerkconstructie dit aandeel vrijwel verwaarloosbaar is. Deze variatie is belangrijk bij het ontwerpen van stabiliteitsconstructies, omdat de invloed van de rotatiestijfheid van de fundering moet worden meegenomen in de berekeningen.

Voor bouwers en ontwerpers is het essentieel om rekening te houden met de rotatiestijfheid van de fundering, vooral bij kernen en gevelbuizen. Deze constructietypen zijn gevoeliger voor de rotatiestijfheid van de fundering dan raamwerkconstructies. Het is belangrijk om bij het ontwerpen van de fundering te rekening houden met de verwachte windbelasting en de stabiliteitsconstructie. Bij een hogere windbelasting is een hogere rotatiestijfheid vaak noodzakelijk om de uitbuiging van het gebouw binnen de toegestane grenzen te houden.

Bronnen

1. Invloed rotatiestijfheid fundering op stabiliteitsconstructies