Verankering van betonelementen: balkons en luifels

De verankering van balkon- en luifelelementen in beton vereist een specifieke techniek. Thermische aspecten spelen hier een grote rol in. Samen met FEBE, de federatie van de Betonnijverheid, bekijken we hoe men er in slaagt om met beton schitterende balkon- en luifelconstructies te maken.

We maken in dit artikel geen onderscheid tussen balkons en luifels, aangezien het principe van de verankering identiek is. Enkel de grootte van de krachten op deze elementen is verschillend. Zo zal bijvoorbeeld de gebruikslast groter zijn op een balkon dan op een luifel. Ook worden de balkons schematisch voorgesteld als vlakke platen. Voor een meer gedetailleerde benadering, verwijzen we naar de brochure die FEBE in de loop van 2010 zal uitgeven.

Koudebruggen

Bij een balkon dat opgehangen wordt aan de hand van een doorlopende ruwbouwwapening, zonder isolatie tussen balkon en ruwbouw, is er sprake van een enorme koudebrug over de volledige lengte van de aansluiting. De aanwezigheid van koudebruggen kan resulteren in een aantal zeer onaangename fenomenen, zoals warmteverliezen en schimmelvorming binnenin het gebouw. Bovendien kunnen in een doorlopende vloerplaat ter plaatse van de aansluiting tussen de buiten- en binnenkant scheuren optreden ten gevolge van het temperatuurverschil tussen beide zones.
Deze problemen kunnen vermeden worden door het balkon te scheiden van de ruwbouw en tussen de twee een thermische isolatie aan te brengen. Deze isolatie dient doorboord te worden door een aantal wapeningsstaven, die de krachten veroorzaakt door het balkon opnemen. Afhankelijk van het type balkon zijn dit verschillende soorten krachten. 

De meest voorkomende situaties zijn:

• vrij uitkragend balkon: moment en dwarskracht.
• opgelegd balkon: geen moment, enkel dwarskracht. Afhankelijk van de plaats van de oplegging kan dit een op- of neerwaartse kracht zijn of een combinatie van de twee.
• ingewerkt balkon: hierbij zijn combinaties van op- en neerwaartse momenten en dwarskrachten mogelijk.

Wapening

Het moment wordt opgenomen door de combinatie van een trekstaaf en een drukelement. Dit drukelement is meestal geen gewone wapeningsstaaf maar een kort staafje met speciale koppen die zorgen voor een betere drukverdeling in het beton. De dwarskracht wordt opgenomen door een onder 45° geplooide dwarskrachtstaaf, waarvan het onderste been zich aan de kant van de neerwaartse kracht bevindt. Het aantal staven hangt af van de grootte van de krachten, hun positie is afhankelijk van de richting waarin de betreffende krachten optreden.
Het deel van de staven dat de isolatie doorboort bestaat altijd uit roestvast staal. Het materiaalgebruik voor de rest van de staven is minder kritisch en verschilt van fabrikant tot fabrikant.
Naast de staven voor de opname van het moment en de dwarskracht, dienen enkele bijkomende wapeningen voorzien te worden, volgens de richtlijnen van de fabrikant. Deze staven zorgen onder andere voor de eindverankering van de overige wapeningsstaven en voor de opname van de splijtkrachten die veroorzaakt worden door de koppen van de drukelementen.

 
Afmetingen

Thermische onderbrekingen zijn modulair opgebouwd zodat men ze kan plaatsen zonder snijverliezen. De standaard meterelementen worden aangevuld met elementen van 20, 30, 40 en 50 cm, afhankelijk van het type. Meestal worden echter niet over de volledige lengte van het balkon thermische onderbrekingen geplaatst, enerzijds omdat dit vaak duurder uitkomt, anderzijds omdat men in het balkon de nodige hijsvoorzieningen moet kunnen plaatsen. Men voorziet wel best minstens 60% van de lengte van een vrij uitkragend balkon van thermische onderbrekingen, die bovendien best symmetrisch geplaatst zijn, om overdreven excentrische krachten te vermijden.
De ruimtes tussen deze thermische onderbrekingen dienen opgevuld te worden met een isolatiemateriaal dat gelijkaardig is aan dat van de thermische onderbrekingen. De lastverdeling in hoekbalkons of ingewerkte balkons is veel ingewikkelder en de plaatsing van de thermische onderbrekingen moet bij dit soort balkons per geval bekeken worden. Natuurlijk moet ook altijd de ruwbouw worden nagekeken, want deze moet de overgedragen lasten kunnen opnemen. 

Op de markt zijn thermische onderbrekingen beschikbaar met hoogtes van 14 tot 25 cm. Zo kan men voor de meeste balkons een oplossing vinden. Het produceren van elementen met een kleinere dikte heeft meestal weinig zin, omwille van drie redenen. Een eerste beperking is de inwendige hefboomsarm in het element. Dit is de afstand tussen trekstaaf en drukelement, die bepaalt welk moment een thermische onderbreking kan opnemen. Twee identieke staven op een verschillende afstand van elkaar kunnen immers een verschillend moment opnemen. Als de hefboomsarm te klein wordt, is de momentopname van de thermische onderbreking meestal niet meer voldoende.

Een ander belangrijk aspect is de doorbuiging. Deze kan opgesplitst worden in twee delen: de doorbuiging van de balkonplaat zelf en de rotatie van het balkon in zijn geheel rondom de ophanging. De stalen staven van de thermische onderbreking zullen onder belasting immers verlengen of verkorten. Beide fenomenen moeten beperkt worden. De doorbuiging kan men beperken door de verhouding dikte/uitkraging te optimaliseren. Om de rotatie van het balkon rond de ophanging zo klein mogelijk te houden, kan men bij de plaatsing van de balkons een tegenpeil geven, zodat het balkon onder zijn eigengewicht een horizontale positie aanneemt.

Tenslotte mag men ook trillingen niet uit het oog verliezen. Onder variabele belastingen zoals gebruiksbelasting gaan de staven immers vibreren. Om dit te beperken kan men de uitkraging beperken en/of de dikte verhogen.
Niet alleen voor de dikte en de uitkraging van een balkon gelden er beperkingen, ook de lengte van een balkon mag bepaalde maximale waarden niet overschrijden. Door temperatuurverschillen zal het balkon immers ook zijdelings dilateren en de staven van de thermische onderbrekingen moeten deze uitzetting kunnen volgen. De maximale lengte voor een vrij uitkragend balkon bedraagt bijvoorbeeld ongeveer 11 m. Langere balkons dienen in 2 delen opgesplitst te worden.

Plooien van staven

Vaak is er aan de ruwbouwzijde geen vloerplaat maar een balk of wand aanwezig of is er een hoogteverschil tussen de aanwezige vloerplaat en het balkon. De staven van de thermische onderbreking moeten dan gebogen worden om in de ruwbouw te passen.
Opdat deze staven de krachten onverminderd zouden doorgeven, dient de plooidiameter volgens de Belgische norm minstens 10 staafdiameters te bedragen. Bovendien mag een staaf rechtstreeks naar beneden geplooid worden maar nooit rechtstreeks naar boven, om het krachtenevenwicht te verzekeren. Het naar boven plooien van staven dient daarom te gebeuren door middel van een lus.
Het plooien van de staven kan tijdens de productie van de thermische onderbrekingen gebeuren, waarbij rekening gehouden wordt met bovenstaande eisen. Het kan echter gevolgen hebben voor de ruwbouw. We beschouwen als voorbeeld een geplooide trekstaaf met een diameter van 8 mm die geplooid moet worden. Maken we nu van links naar rechts een snede doorheen de lus, dan hebben we achtereenvolgens:

Betondekking buiten 30 mm
Staafdiameter 8 mm
Plooidiameter (10 x 8 mm) 80 mm
Staafdiameter 8 mm
Betondekking binnen 25 mm
TOTAAL 151 mm

In totaal is een wandbreedte van 15,1 cm nodig voor de geplooide trekstaaf. Een ‘traditionele’ wand van 14 cm is hier dus niet voldoende.

De ruwbouw

Het moment en de dwarskracht die het balkon veroorzaakt, worden opgenomen door de hierboven besproken staven. Ze worden aan de balkonzijde in de staven geleid en doorgegeven aan de ruwbouw. Hier moeten ze vanzelfsprekend verder verdeeld worden.
De dwarskrachtstaven geven hun kracht door aan het beton en moeten dus verankerd worden, zodat ze niet uit het beton getrokken worden. De trekstaven mogen echter niet gewoon verankerd worden, want het beton kan deze krachten niet opnemen. De krachten moeten dus worden doorgegeven aan de trekstaven in de ruwbouw. Dat kan alleen als de staven van de thermische onderbreking en de staven van de ruwbouw met elkaar overlappen. Hiermee hangt een overlappingslengte samen, die volgens de Belgische norm (vereenvoudigd) 1,5 x de verankeringslengte bedraagt. Een andere belangrijke voorwaarde om te kunnen spreken van overlapping is een beperkte afstand tussen de staven, nl. maximum 4 maal de staafdiameter.

Dit heeft echter een aantal beperkingen tot gevolg: 

• Bij welfsels is er geen trekwapening aanwezig en overlapping is dus ook uitgesloten. Om dit op te lossen, kan men extra trekwapening voorzien in de welfsels, ter plaatse van de aansluiting.
• Bij het plooien van staven, zoals hierboven werd besproken, dient men een onderscheid te maken tussen een balk en een wand. In een wand loopt er van boven naar beneden trekwapening en is overlapping dus mogelijk. Bij een balk is dit echter niet zo. 

De naar beneden geplooide trekstaven van de thermische onderbreking zullen in dit geval dus ‘overlappen’ met een dwarskrachtbeugel, die de optredende trekkrachten niet kan opnemen. In dit geval zijn er 2 mogelijkheden. Men kan de balk ontwerpen als torsiebalk. De beugel wordt dan zodanig gedimensioneerd dat hij ook trekkrachten kan opnemen. Een andere mogelijkheid is de trekstaaf verder te plooien tot in de lagergelegen vloerplaat en ze daar te laten overlappen met de aanwezige trekwapening.

Betondekking

Zoals hierboven reeds werd aangehaald, bestaan er enerzijds thermische onderbrekingen waarbij de staven volledig uit roestvast staal bestaan en anderzijds thermische onderbrekingen waarbij enkel het gedeelte dat de isolatie doorboort bestaat uit roestvast staal. Het overige deel van de staven bestaat hierbij uit wapeningsstaal. In dit laatste geval dient er vanzelfsprekend voldoende betondekking voorzien te worden. Ook bij staven die volledig bestaan uit roestvast staal, moet men zorgen dat de staven omhuld worden door voldoende beton en is dus een bepaalde betondekking vereist.

Brandweerstand

De brandweerstand van een standaard thermische onderbreking is zeer klein. Er bestaan echter speciale uitvoeringen waarbij de brandweerstand kan oplopen tot 1,5 uur en mits speciale inbouw zelfs tot 2 uur.

Berekeningssoftware

Bij de berekening van de krachten in de thermische onderbreking aan de hand van gespecialiseerde berekeningsprogramma’s is het belangrijk de thermische onderbreking niet als een starre oplegging te beschouwen. Doordat deze elementen zijn opgebouwd uit een reeks stalen staven zijn, is er sprake van een verende oplegging, met veerconstanten volgens de gegevens van de fabrikant.


Bron: Artikel uit Beton, tijdschrift van de Federatie van de Betonindustrie (FEBE)