Deel I Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles aan geprefabriceerde ...

252 Pages·2008·57.56 MB·Dutch

Deel I

Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles
aan geprefabriceerde betonelementen

Serge Van haecke

Birgen Willemyns

Promotoren: prof. dr. ir. Stijn Matthys, prof. dr. ir. Luc Taerwe
Begeleider: prof. dr. ir. Wim Moerman

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van
Burgerlijk bouwkundig ingenieur

Vakgroep Bouwkundige constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Faculteit Ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2007-2008

Deel I

Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles
aan geprefabriceerde betonelementen

Serge Van haecke

Birgen Willemyns

Promotoren: prof. dr. ir. Stijn Matthys, prof. dr. ir. Luc Taerwe
Begeleider: prof. dr. ir. Wim Moerman

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van
Burgerlijk bouwkundig ingenieur

Vakgroep Bouwkundige constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Faculteit Ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2007-2008
Woord vooraf

Deze scriptie is opgesteld en ingediend tot het behalen van de academische graad van
burgerlijk bouwkundig ingenieur. Het is de afwerking van een boeiende studie die enkel
mogelijk is geweest dankzij de steun van verschillende personen. Deze mensen en in het
bijzonder zij die hebben bijgedragen tot de verwezenlijking van dit eindwerk wensen wij te
bedanken.

Prof. Dr. Ir. S. Mathijs, voor de begeleiding, het vertrouwen, de theoretische kennis en
het gebruik van de infrastructuur.

Prof. Dr. Ir. W. Moerman, voor het uitdagende onderwerp, de theoretische en praktische
ondersteuning en het nakijken van de teksten.

Prof. Dr. Ir. L. Taerwe, voor de inleiding in het onderwerp en het ter beschikking stellen
van het laboratorium Magnel.

Directeur Rogge L. van het prefabricatiebedrijf Concreton en zijn behulpzaam team van
medewerkers, voor hun medewerking en assistentie bij de praktische realisatie van de
proefstukken en het ter beschikking gestelde materieel.

Mevr. Kockelberg Lisen van het prefabricatiebedrijf Concreton, voor haar veelvuldige
hulp bij de realisatie van de proefstukken en de nauwgezette opvolging ervan.

Het technisch personeel van Labo Magnel, voor de vele praktische en technische hulp bij
de vele proeven en voor hun geduld.

Onze ouders en familie en in het bijzonder Laura en Annelies, voor het blijvende begrip
en de geveinsde interesse in de vele technische onderwerpen.

f
a
r
o
o
v
d
r
o
o
W
Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles aan geprefabriceerde betonelementen
De auteurs geven de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie
beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk
gebruik.
Ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in
het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron
uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit
afstudeerwerk.

Gent, juni 2008

Serge Vanhaecke Birgen Willemyns
Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles
aan geprefabriceerde betonelementen

Serge Van haecke
Birgen Willemyns

Promotoren: prof. dr. ir. Stijn Matthys, prof. dr. ir. Luc Taerwe
Begeleider: prof. dr. ir. Wim Moerman

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van
Burgerlijk bouwkundig ingenieur

Vakgroep Bouwkundige constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Faculteit Ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2007-2008

SAMENVATTING
De industrie gespecialiseerd in prefab beton is nog steeds in volle expansie en ontwikkeling.
Het prefabriceren in het werkhuis van betonnen constructie-elementen zorgt voor goede
uitvoeringsomstandigheden en een snelle productie.

Vanuit de prefabindustrie is de vraag gerezen om alternatieve oplossingen te vinden voor de
realisatie van consoles aan betonelementen. Het probleem stelt zich momenteel bij de
moeilijke verankering en arbeidsintensieve plaatsing wapening van de consoles. Er dient een
praktische alternatieve wapeningswijze worden gevonden voor het aanstorten van consoles in
tweede fase zodat de constructie ervan eenvoudiger wordt.

In deze scriptie werd een alternatieve eindverankering met kop uitgewerkt. Deze oplossing
heeft het voordeel dat ze eenvoudig en met weinig middelen kan toegepast worden. Op basis
van trekproeven op de verankering werd een formule voorgesteld voor het berekenen van de
verbindingslengte. Toegepast in zestien consoles werd de draagkracht en de scheurvorming in
de console geëvalueerd. Deze studie toonde aan dat de eindverankering met kop een
alternatieve oplossing kan bieden om consoles te wapenen.

Trefwoorden: Consoles, eindverankering, kopverankering, experimentele studie
Extended abstract

t
c
a
r
t
s
b
a
d
e
d
n
e
t
x
E
Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles aan geprefabriceerde betonelementen
Alternate solutions for the realization of concrete
corbels to prefabricated concrete elements
Serge Van haecke, Birgen Willemyns

Supervisor(s): Prof. dr. ir. S. Matthys, Prof. dr. ir. L. Taerwe, Prof. dr. ir. W. Moerman
1 Abstract:  This dissertation includes the results of an not reinforced concrete near the corbel edge. As a
application study on the design and behavior of prefabricated consequence these edges tent to crack under horizontal or
concrete corbels with headed reinforcement. In an experimental local loads.
study a comparison of cracking widths, structural behavior and
strength is made with conventional reinforcement anchorage in
B. Research significance
order to find design recommendations.
The results tests on 16 double corbels were used for two
Keywords: headed reinforcement, corbel, anchorage,
main purposes. On the one hand the design formula for the
prefabrication
net head dimension was evaluated. On the other hand the
ultimate capacity loads of the corbels were compared with the
I. INTRODUCTION
calculated values by different design methods. The maximum
Prefabrication of concrete elements implements a more
load in serviceability state is defined and compared with a
perfect production environment and shorter production times
possible design method in order to avoid conservative design
resulting in a higher quality and readability. The industry is
loads.
expanding and contains still a wide margin for specialization
and innovation.
III. DESIGN METHODS
In this dissertation a study is performed on possible
alternate solutions for the realization of concrete corbels on Research to accurate design of concrete corbels resulted in
columns in prefabrication. Preceding a possible alternate an overview of five calculation models. These models can be
solution for the practical realization a literature review is divided into two groups. The first group contains three models
presented. This contains an overview and analysis of possible based on the strut-and-tie (STM) method and are described in
design methods for corbels. Different design methods are NBN B15-001, ACI 318-08 appendix A and Hagberg,. The
compared towards their sensitivity on design parameters. other two design models are based on shear-friction
The proposed alternate solution for the construction of provisions and described in ACI 318-08 and NEN-6720.
corbels makes use of headed reinforcement. Here for a design These five design models are assembled in a global analysis
is made of a head anchor with a capacity model for the head where the impact of different parameters is compared. The
bearing based on different feasibility studies [1]. studied parameters were the concrete strength fck, main
Following the design, an experimental project was included. tension reinforcement As, length of the corbel l, shear span a
Under this project two subjects where tested:1)strength of the and the width of the bearing plate b0.
proposed connection method for the headed anchor,
2)applicability of headed anchors in corbels. Results from IV. HEADED REINFORCEMENT
these test programs are analyzed and compared with the Because the use of conventional anchorage can lead to
design values of the tested specimens. difficulties with large bend diameters and create congestion of
reinforcement in small elements a short evaluation of possible
II. SITUATION solutions is made. The use of bars with anchor heads was
because of the practical usability and the known positive
A. Problem context results in a variety of applications preferred.
The prefabrication of columns takes place in durable long- A round head type connected with the reinforcement bar
line forms. Due to this, the construction of corbels to multiple by an ISO-metric thread is proposed. The design of this
sides of a column has to be realized in a second construction anchor needed determination of two characteristics.
phase after the columns are removed from the forms. First the height of the head to guarantee a sufficient length
Reinforcement of the corbel with conventional anchorage of the thread was calculated using three different formulas.
brings some critical points in consideration. The anchorage of Secondary the necessary net head surface for a sufficient head
the main reinforcement in the corbel as well as in the column. bearing capacity is calculated. A design model developed by
The anchorage in the column demands a suitable connection Thompson [1] is used with exclusion of the term n5%=0,7
of the main reinforcement. For conventional anchorage by which was only implemented in the formula to adjust the
bond the reinforcement bars have to be bend with often large proposed model so 95% of the in [1] considered test results
bending diameters. In the corbel, this results in a wide area of were safe.

Serge Van haecke & Birgen Willemyns are civil engineering students at
Ghent University (UGent), Ghent, Belgium. 2008 .
V. HEAD TEST PROGRAM Analyzing the ultimate failure mode the measurements made
it possible to compare the different corbels.
A. Test characteristics Table 1gives the results of experimental F . and calculated
exp
failure loads F(UGT) of the corbels, the force F an F
In a first experimental study 45 tensile tests were wk=0,2 wk=0,3
and the calculated F(GGT). F indicates the force which
performed. In these tests the strength of the thread connection wk=”x”
corresponds with a mean flexural crack of “x” mm.
was tested and the usefulness of the three proposed formulas
for the head height was evaluated. In order to reach an Tabel 1:Summary of test results on 16 test specimens
acceptable connection of the anchor to the bar, failure of the
[KN] F F(UGT) F F F(GGT)
bar had to be reached before the anchor connection fails. exp wk=0,2 wk=0,3
K1 489 251 142  188 148
During the tests a specific loading schedule was followed as
K1b 486,5 251 199  268 148
proposed by [2]. The strain of the bar and slip of the anchor
K3 549 251 143  189 148
connection was registered. K4 553,5 251 142  193 148
K4b 500,5 251 165  200 148
B. Test results K5 598,5 251 137  179 148
K2 515 396 225  300 229
Only one of the proposed formulas for the head height knew
K2b 704,5 396 191  268 229
positive results. This formula is based on an empirical
K6 700 396 200  262 229
approach. The anchors with thread lengths calculated K7 695,5 396 181  246 229
according to the other to formulas slipped of the bar before K7b 673,5 396 149  201 229
the bar itself yielded. Additional the yield strength f of the K8 674 396 232  177 229
ym
tested bars was calculated. K9 679 251 181  224 148
K10 549,5 251 149  192 148
K10b 606 251 120  152 148
VI. CORBEL TEST PROGRAM
K11 636 251 175  226 148

A. Test specimens
The calculated load F(UGT) is designed according to NBN
Headed reinforcement in concrete corbels is tested in 12 test B15- 001 but in order to compare the results also determined
specimens. Four extra specimens were reinforced with with the other considered design methods.
conventional anchorage of the bars. Each specimen consisted F(GGT) is calculated like F(UGT) but with a restriction on
of a 0,95 m high column with two corbels symmetrical the concrete pressure and steel tension of 0,45f and 0,6f .
ck yk
attached to the column. Figure 1 shows a typical test specimen This results in a safe design in a serviceability state when a
and illustrates important dimensions. Al tested corbels had a flexural crack of 0,3mm is tolerated.
shear-span-to-depth ratio (a/d) of 0,59. A comparison between the references and the corbels with
headed reinforcement show a sufficient strength of the latter.
The corbels with different head sizes on the reinforcement
don’t appear to have different result which makes it not
possible to evaluate the calculation formula for the capacity of
the heads. Nevertheless is proven that the anchorage capacity
of the calculated anchors is more than sufficient and so safe.
VII. CONCLUSION
Headed reinforcement are easy to be implemented in
corbels which are constructed in a second construction phase.
The connection of the anchor can be an ISO-metric thread if
the height of the anchor is designed with the empirical
formula. The tests on corbels have shown that a net head
surface dimensioned with the proposed formula assures a
sufficient anchorage capacity. Also can be concluded that the

considered design models are save. The models based on the
Figuur 1: Test configuration of the corbels shear friction theory gave the most conservative results.
The test specimens are divided into three main groups
consisting of respectively (K1,K1b,K3,K4,K4b,K5), ACKNOWLEDGEMENTS
(K2,K2b,K6,K7,K7b,K8) and (K9,K10,K10b,K11). The first Generous assistance has been derived from our promoters:
two specimens of the first two groups are tested as reference Prof. dr. ir. S. Matthys, Prof. dr. L. ir. Taerwe, Prof. dr. ir. W.
and make use of conventional anchorage for the main Moerman while creating this dissertation. The experimental
reinforcement. Group one specimens have a main part is made possible thanks to Concreton N.V. and his
reinforcement of 3 bars Ø16 and group two of 3 bars helpfully crew.
Ø20.Group three also has 3 bars Ø16 but uses fully threaded
bars quality 8.8 instead of BE500 steel. REFERENCES
[1] M. K. THOMPSON, B.S., M.S., The Anchorage Behavior in CCT
B. Test results Nodes and Lap Splices, PhD Dissertation, The University of Texas at
Austin, (2002)
Pressure in the concrete strut, strain in the main
[2] VDI Committee, Guideline VDI 2230 Part 1: Systematic calculation of
reinforcement, slip in the anchors and the width of the flexural high duty bolted joints - Joints with one cylindrical bolt, VDI
crack were registered in function of the applied load F. Guideline ,(2003)
Inhoudsopgave

Woord vooraf .............................................................................................................................. 4 
Extended abstract ........................................................................................................................ 7 
Inhoudsopgave ............................................................................................................................ 8 
Notatielijst ................................................................................................................................. 13 
HOOFDSTUK 1 Inleiding .......................................................................................................... 1 
1.1  Algemeen ........................................................................................................................ 1 
1.2  Fabricatieproces .............................................................................................................. 2 
1.3  Probleemstelling ............................................................................................................. 2 
1.3.1  Meerdere consoles op gelijke hoogte ....................................................................... 3 
1.3.2  Eindverankering van de hoofdwapening ................................................................. 3 
1.3.3  Gebruik van koppelsystemen ................................................................................... 5 
1.4  Doelstelling van de scriptie ............................................................................................. 5 
1.5  Opbouw van de scriptie................................................................................................... 6 
HOOFDSTUK 2 Het gedrag van een gewapende console ......................................................... 8 
2.1  Geometrie van een console ............................................................................................. 8 
2.1.1  Afmetingen van een console .................................................................................... 8 
2.1.2  Krachtswerking op een console ............................................................................... 9 
2.2  Bezwijkwijzen van een console ...................................................................................... 9 
2.2.1  Primaire bezwijkmechanismen ................................................................................ 9 
2.2.2  Secundaire bezwijkmechanismen .......................................................................... 10 
2.3  Onderverdelen van betonnen constructie-elementen in B- en D- gebieden .................. 11 
2.4  Staafwerkmodel met druk- en trekschoren ................................................................... 12 
2.4.1  Inleiding ................................................................................................................. 12 
2.4.2  Principe van het staafwerkmodel [1] ..................................................................... 13 
2.4.3  Opbouw en berekening van het staafwerkmodel volgens Hagberg [7] ................. 13  e
v
a
2.4.3.1  Draagkracht van een console met horizontale beugels belast met enkel een pg
o
verticale kracht ............................................................................................. 14  ds
u
o
h
n
I
Alternatieve oplossingen voor de realisatie van consoles aan geprefabriceerde betonelementen