Draagkracht en stabiliteit van metselwerk: factoren, voegen en verankering

Metselwerk is al eeuwenlang een essentieel bouwmateriaal in de Nederlandse bouw. Het wordt vaak gebruikt voor zowel gevels als dragende muren. De draagkracht van metselwerk, ofwel het vermogen van een muur om belastingen te dragen zonder te bezwijken, is een belangrijk onderwerp in de bouwpraktijk. Ondanks de jarenlange ervaring met metselwerk blijft het echter vaak onduidelijk hoe de echte sterkte van een muur bepaald wordt. Dit artikel richt zich op de factoren die bepalend zijn voor de draagkracht en stabiliteit van metselwerk, inclusief het gebruik van mortel, de manier van metselen, voegdikte, verankering en het gedrag rondom ramen.

Inleiding

Metselwerk bestaat uit bakstenen of andere metselstenen en mortel of cementmortel. Het draagvermogen van een muur is afhankelijk van verschillende aspecten, zoals de kwaliteit van de stenen en mortel, de dikte van de voegen, de manier van metselen, en eventuele verankeringen. In Nederland wordt metselwerk nog steeds vaak gebruikt voor dragende constructies, ook al zijn moderne materialen zoals beton en glas beschikbaar. Dit komt grotendeels door de duurzaamheid, de esthetiek en de bewezen stabiliteit van metselwerk. Echter, wetenschappelijk onderzoek naar het gedrag van metselwerk onder belasting is relatief beperkt.

Professor Ir. Ad Vermeltfoort van de Faculteit Bouwkunde heeft gedurende ruim vijftien jaar onderzoek gedaan naar het gedrag van metselwerk, met een focus op de interactie tussen bakstenen en mortel. Zijn werk leidde tot een uitgebreide database en een beter begrip van de mechanische eigenschappen van metselwerk. De bevindingen van dit onderzoek kunnen gebruikt worden bij het ontwerp van constructies en het verbeteren van de veiligheid van bestaande muren.

Draagkracht van metselwerk: belangrijke factoren

De draagkracht van metselwerk wordt bepaald door meerdere factoren. Deze zijn zowel materieel als technisch in aard.

1. Kwaliteit van stenen en mortel

Bakstenen zijn een van de oudste bouwmateriaLEN en worden nog steeds veel gebruikt. Ze zijn duurzaam, vormstabil, en voldoen aan hoge eisen qua brandveiligheid. Baksteen wordt geclassificeerd als “onbrandbaar” (A0 in de Europese standaard). Daarnaast is het resistent tegen mechanische schokken, agressieve atmosferen, en de meeste scheikundige stoffen.

Mortel, het bindmiddel tussen de stenen, speelt een even belangrijke rol in de draagkracht van een muur. De kwaliteit van mortel beïnvloedt de sterkte van de voegen, die de drukverdeling in de muur reguleren. In Nederland wordt traditioneel een mengsel van mortel opgebracht per steen, terwijl in landen zoals Engeland een meter mortel op een rij wordt gestreken. Deze verschillen in techniek kunnen invloed hebben op de stabiliteit van de muur.

2. Manier van metselen

De manier waarop een metselaar zijn werk uitvoert, is een belangrijke factor in de stabiliteit van metselwerk. In Nederland is het gebruikelijk om per steen een hoopje mortel op de muur te leggen, die vervolgens wordt gevuld met de steen. In andere landen, zoals Engeland, wordt eerst een horizontale strook mortel opgebracht, waarna een hele rij stenen op die strook wordt gelegd. Deze technieken hebben historische wortels en kunnen leiden tot verschillende belastingsverdelingen in de muur.

Hoewel beide methoden hun eigen voordelen hebben, is er geen duidelijke consensus over welke methode het meest stabiel is. Onderzoek door Vermeltfoort wijst erop dat de draagkracht van metselwerk niet alleen afhangt van het materiaal, maar ook van de manier van uitvoering. De ESPI-techniek, die gebruikt wordt om vervormingen in metselwerk te meten, heeft bijgedragen aan een beter begrip van hoe metselwerk zich gedraagt onder druk.

3. Voegdikte en mortelverdeling

De dikte van de voegen in metselwerk beïnvloedt de draagkracht en de stabiliteit van de muur. Traditioneel worden voegen van 10 mm of dikker gebruikt, maar in de laatste jaren wordt er steeds vaker gebruikgemaakt van dunne voegen, ook wel “lijmen” genoemd. Deze voegen zijn slechts enkele millimeters dik.

Hoewel dunne voegen voordelen bieden qua esthetiek en bouwgemak, is er onzekerheid over hun draagkracht. Onderzoek wijst uit dat het gebruik van dunnere voegen mogelijk leidt tot minder goede drukverdeling in de muur, wat het risico op scheuren kan vergroten. Er is dus nog onderzoek nodig om te bepalen of het lijmen van stenen een betrouwbaar alternatief is voor traditionele metseltechnieken.

Stabiliteit en de rol van verankering

Stabiliteit is een essentieel aspect van metselwerk. Een muur moet niet alleen in staat zijn om belastingen te dragen, maar ook veranderingen in de structuur kunnen opvangen. In sommige gevallen is het noodzakelijk om extra verankering toe te voegen om de stabiliteit te waarborgen.

1. Soorten verankering

Er zijn verschillende typen verankeringen die in metselwerk kunnen worden gebruikt. De keuze voor een bepaald type hangt af van de situatie en de vereisten van de constructie. De volgende verankeringen zijn mogelijk:

• Muurankers: Deze worden gebruikt om verschillende delen van een muur aan elkaar te binden, bijvoorbeeld in gevallen waarbij delen van een muur zijn losgekomen of vervangen zijn.
• Balkankers: Deze verankeringen worden gebruikt om balken of andere horizontale elementen met de muur te verbinden, wat extra stabiliteit biedt.
• Getordeerde roestvaststalen staven: Deze worden in voegen aangebracht en vormen een sterke, flexibele verbinding die druk en trekkrachten kan opvangen.

Het is belangrijk dat verankeringen correct worden geplaatst. Verkeerd geplaatste ankers kunnen leiden tot hoge trekspanningen in bepaalde delen van de muur, wat op zijn beurt kan leiden tot nieuwe scheuren. Daarom moet de verankering zodanig worden uitgevoerd dat de krachten gelijkmatig worden verdeeld over een groot deel van het metselwerk.

2. Wanneer extra verankering nodig is

Extra verankering is meestal nodig in de volgende gevallen:

• Wanneer er delen van de oorspronkelijke constructie zijn verdwenen of gewijzigd.
• Bij stabiliteitsproblemen in bestaande muren.
• Als de stabiliteit van een herstelde constructie niet voldoet aan de bouwvoorschriften.

In dergelijke gevallen is het verstandig om een constructeur te raadplegen. Deze kan beoordelen of de herstelde constructie een volwaardige draagconstructie is en of aanvullende maatregelen nodig zijn. Als de stabiliteit van de oorspronkelijke constructie niet voldoet, moet er een hulpconstructie worden aangebracht. Deze nieuwe toevoeging moet wel worden uitgevoerd zonder schade te berokkenen aan de cultuurhistorische waarden van het gebouw.

Problemen rondom raamopeningen

Een specifieke locatie waarin metselwerk vaak minder sterk is, zijn de openingen voor ramen. Rondom raamopeningen ontstaan vaak scheuren. Dit komt doordat het metselwerk daar extra belast wordt, waardoor er drukoptiepunten ontstaan.

De veilige ondergrens die constructeurs gebruiken bij het ontwerp van metselwerk zorgt ervoor dat er grote marges zijn op de drukbelasting. Bij ramen is deze marge echter vaak veel kleiner dan verwacht. Dit komt doordat de drukverdeling rondom ramen anders is dan in het resterende metselwerk.

De ESPI-techniek is een methode die gebruikt kan worden om vervormingen in metselwerk te meten, maar deze techniek is momenteel nog beperkt toepasbaar. De techniek is ontworpen voor vlakken van 10 bij 10 cm, wat betekent dat het niet mogelijk is om vervormingen op grotere schaal te meten, zoals rondom ramen. Dit betekent dat er nog onderzoek nodig is om te begrijpen hoe het metselwerk zich gedraagt rondom openingen.

Scheuren in metselwerk: handhaving en herstel

Scheuren in metselwerk kunnen zowel statisch als dynamisch van aard zijn. Een statische scheur blijft op zijn plek en vereist meestal een herstelmaatregel. Een dynamische scheur is actief en kan verder oplopen als de onderliggende oorzaak niet wordt verholpen.

1. Handhaving van dynamische scheuren

Bij dynamische scheuren kan het zinvol zijn om deze te handhaven, zodat de bewegingen in het metselwerk opgevangen worden. Dit wordt ook wel “natuurlijke dilatatie” genoemd. Echter, deze methode is alleen toepasbaar als de stabiliteit van de constructie voldoende is.

Een andere optie is om de scheur te herstellen alsof het een statische scheur is, mits er in de directe omgeving een kunstmatige dilatatie wordt aangebracht. Dit betekent dat een kunstmatige voeg wordt gemaakt om bewegingen op te vangen. Als het handhaven van de scheur geen gevaar oplevert, kan het verstandig zijn om de naad flexibel te vullen, bijvoorbeeld met dilatatiemateriaal of een plastische kit. Dit voorkomt watertoetreding en vermindert het risico op verdere schade.

2. Oorzaak van scheuren

Scheuren in metselwerk kunnen verschillende oorzaken hebben, zoals:

• Verkeerde verankering of verankeringen die verkeerd zijn geplaatst.
• Veranderingen in de omgeving, zoals vochttoetreding of temperatuurvariaties.
• Onderhoudsproblemen, zoals het ontbreken van regelmatig inspectie en herstel.

Het is belangrijk om de oorzaak van een scheur te achterhalen voordat er herstelmaatregelen worden genomen. In sommige gevallen kan een scheur teken zijn van grotere problemen in de structuur, zoals instabiliteit of onvoldoende verankering.

Draagkracht en moderne simulatiemethoden

De draagkracht van metselwerk kan ook bepaald worden door middel van numerieke simulatiemethoden. Deze methoden maken het mogelijk om het gedrag van een muur onder verschillende belastingen te simuleren. Hiervoor zijn gedetailleerde gegevens nodig, zoals de mechanische eigenschappen van de stenen, de dikte van de voegen, en de verdeling van de krachten in de muur.

De database die Vermeltfoort heeft opgebouwd tijdens zijn onderzoek bevat informatie over het gedrag van verschillende soorten mortel en bakstenen. Met deze data is het mogelijk om de draagkracht van een muur te bepalen en de veiligheid van de constructie te verbeteren. Deze informatie kan worden gebruikt bij het ontwerp van nieuwe constructies, maar ook bij het herstel van bestaande gebouwen.

Conclusie

Metselwerk is een oud, maar nog steeds veelgebruikt bouwmateriaal dat bekend staat om zijn duurzaamheid, stabiliteit en esthetiek. De draagkracht van metselwerk is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de kwaliteit van de stenen en mortel, de manier van metselen, de dikte van de voegen, en eventuele verankeringen. Onderzoek heeft aangetoond dat er nog veel onzekerheid is over het gedrag van metselwerk onder belasting, vooral rondom openingen zoals ramen.

Het werk van Vermeltfoort heeft geleid tot een beter begrip van de mechanische eigenschappen van metselwerk en heeft bijgedragen aan een uitgebreidere database die gebruikt kan worden bij het ontwerp en herstel van metselconstructies. De ESPI-techniek maakt het mogelijk om vervormingen in metselwerk te meten, maar deze techniek is momenteel nog beperkt toepasbaar op grotere schaal.

Voor metselwerk is het belangrijk om zowel de materiële als de technische aspecten in overweging te nemen. Tijdens renovaties en herstelwerkzaamheden is het verstandig om een constructeur te raadplegen, vooral als er sprake is van stabiliteitsproblemen of scheuren in de muur. Door een goed begrip van de draagkracht en het gedrag van metselwerk kan de veiligheid en duurzaamheid van gebouwen verbeterd worden.

Bronnen

1. Onderzoek naar draagvermogen van metselwerk
2. Eigenschappen en toepassingen van baksteen
3. Metselwerk en verankeringen