HORIZONTALE BELASTING HEEFT GROTE IMPACT OP STABILITEIT HOUTSKELETBOUW

Lichte constructie vraagt extra aandacht voor schrankweerstand

Elk gebouw dat opgetrokken wordt, dient te kunnen weerstaan aan de krachten die erop inwerken, van het eigen gewicht tot de gebruiksbelasting en de impact van natuurlijke fenomenen zoals sneeuw, wind en, op bepaalde plaatsen, aardbevingen. Het is een logische eis die zowel voor beton- als staal- en houtconstructies geldt. De praktische en structurele implicaties zijn echter niet voor al deze constructies hetzelfde. De houtskeletbouw is bijvoorbeeld een bouwmethode waarbij het eigen gewicht beperkt blijft, maar die omwille van die lichtheid ook erg gevoelig is voor horizontale belastingen zoals deze van de wind.

BELASTING

Verticale en horizontale krachten

Over het algemeen kan men stellen dat op elke constructie verticale en horizontale krachten inwerken. Onder de verticale belasting vallen onder andere het eigen gewicht van het bouwwerk, de gebruiksbelasting en de sneeuwbelasting, terwijl de horizontale belasting in België in hoofdzaak wordt uitgemaakt door de windbelasting.
Om de stabiliteit te garanderen, dient er in het ontwerp van een bouwwerk met al deze aspecten rekening gehouden te worden, met dien verstande dat de verticale lasten via wanden en kolommen naar de fundering worden afgedragen, en horizontale lasten via schrankende wanden.

Eurocode

Welke rol de verschillende belastingen in het ontwerp precies spelen, is vastgelegd in de Eurocode, de Europese norm voor het dimensioneren van gebouwen. Zo worden in Eurocode 0 en Eurocode 1 onder andere de rekenwaarden voor de gebruiks-, sneeuw- en windbelasting opgenomen, alsook de verschillende veiligheids- en combinatiefactoren die in acht genomen moeten worden om de totale ontwerpbelasting te berekenen.
Ook de sterkte van de constructie en haar afzonderlijke elementen moet op basis van de Eurocode berekend worden. Voor de houtskeletbouw wordt er gerefereerd naar Eurocode 5. Die omvat waarden en formules voor het berekenen van de designsterkte van houten elementen en hun verbindingen.

Stabiliteit

Het spreekt voor zich dat, om de stabiliteit van een constructie te garanderen, de berekende sterkte groter moet zijn dan de totale belasting. Qua verticale belastingen heeft de houtskeletbouw alvast het voordeel dat het een lichte constructie is, waardoor het eigen gewicht laag blijft, maar die lichtheid kan het geheel ook parten spelen, met name wat betreft de horizontale belasting. In tegenstelling tot de meeste klassieke bouwsystemen, waarbij wanden een hoge stijfheid en een goede weerstand tegen horizontale krachten hebben, hebben wanden in de houtskeletbouw namelijk de neiging om onder invloed van horizontale krachten in het vlak te vervormen. De schrankweerstand is bij deze systemen dan ook een cruciaal aandachtspunt, zowel in het ontwerp als in de uitvoering.

HET PRINCIPE VAN SCHRANKENDE WANDEN

Het vermogen van een constructie om al dan niet te weerstaan aan de horizontale krachten die erop inwerken, wordt bepaald op basis van het principe van de schrankende wanden. Dit zijn wanden die als stabiliteitstechnische functie hebben om de windkrachten naar de funderingen af te leiden.
Om aan het criterium van stabiliteit te voldoen, moet erop toegezien worden dat er minimaal drie assen aanwezig zijn, die bovendien niet allemaal onderling evenwijdig mogen zijn. Het aantal schrankende wanden dat in een houtskeletbouw noodzakelijk is, of meer bepaald het aantal lopende meters schrankende wand, moet dan weer volgens Eurocode 5 berekend worden. Hiervoor zijn specifieke en complexe berekeningen nodig, maar om in de fase van de voordimensionering al een inschatting te maken van het aantal wanden, kan in sommige gevallen wel gebruikgemaakt worden van een vereenvoudigde vuistregel.

Vuistregel 

De oude STS 23 (Houtbouw), een technische specificatie daterende uit 1978, voorzag al in een vuistregel waarmee het aantal schrankende wanden in een houtskeletbouw bepaald kon worden. Omdat deze vuistregel echter heel wat interpretatieverschillen toeliet, stelde het Technisch Centrum voor de Houtnijverheid (TCHN) in 2013 een alternatieve versie voor, gebaseerd op de resultaten van een uitgebreid prenormatief onderzoek. Deze nieuwe versie voorziet in een grafiek, waaruit het benodigde aantal lopende meters schrankende wand op basis van de hoogte van het gebouw en de specifieke schrankweerstand van de wanden afgeleid kan worden. Dat gebeurt door de bepaling van een factor ß, die vervolgens met de breedte van de aangeblazen wand vermenigvuldigd moet worden.
Bij toepassing van de vuistregel dient men evenwel een aantal aandachtspunten in acht te nemen. Ten eerste wordt er uitgegaan van verankerde wanden die bovendien allemaal dezelfde schrankweerstand hebben. Ten tweede wordt er verondersteld dat de schrankende wanden gelijkmatig over het gebouw verdeeld zijn en dat er ook inzake hun lengte een gelijkmatige verdeling is. Ten slotte moet de hoogte van het gebouw correct bepaald worden: voor platte daken betreft het de hoogte van de dakrand, voor hellende daken de nokhoogte.

WEL OF NIET VERANKEREN?

Uit experimenten blijkt dat de schrankweerstand en de stijfheid van niet-verankerde wanden aanzienlijk lager zijn dan deze van verankerde wanden én dat ze op een andere manier falen. Het effect van de verbinding tussen wand en ondergrond is met andere woorden groot, zeker bij korte wanden.
Het verankeren van een wand kan op verschillende manieren gebeuren:

• Tie-down: de meest gebruikelijke optie is het voorzien van tie-downs ter hoogte van de eerste en de laatste stijl, ook wel de leidende stijlen genoemd. Deze ankers zorgen voor een rechtstreekse verbinding tussen de fundering en de betreffende stijlen, waardoor er tussen de onderregel en de leidende stijlen nagenoeg geen verticale beweging kan ontstaan. Doorgaans worden hiervoor tweeledige ankers gebruikt, waarvan het ene deel fabrieksmatig in de wand ingebouwd wordt en het andere op de werf in de fundering verankerd wordt. De verbinding tussen beide delen gebeurt door middel van zelftappende schroeven. Het is hierbij van groot belang dat fundering en stijlen effectief rechtstreeks met elkaar verbonden worden. Draadstangen die de onderregel met de fundering verbinden, gelden niet als tie-down of verankering.
• Permanente belasting: in plaats van ankers te voorzien, kan men er ook voor opteren om de leidende stijlen van een permanente belasting te voorzien.
• Dwarsverbanden: ook de aanwezigheid van dwarsverbanden en dwarse wanden kan een invloed hebben op de verankering. De precieze impact hiervan is echter nog in onderzoek.

Hoewel het steeds aangeraden wordt, is het niet verplicht om van schrankende wanden gebruik te maken. Wanneer er voldoende schrankende wanden aanwezig zijn of de schrankweerstand van deze wanden hoog genoeg is, kan de reguliere verbinding tussen stijl en ondergrond wel degelijk volstaan.

INVLOEDSFACTOREN OP SCHRANKWEERSTAND

Wanneer een wand onderhevig is aan een kracht in zijn vlak, zal hij de neiging hebben om te roteren en te vervormen. De mate waarin de wand hieraan kan weerstaan, wordt de schrankweerstand genoemd. Deze wordt uitgedrukt in kN/1,20 m en is afhankelijk van verschillende factoren. Zoals uit de grafieken van de vuistregel blijkt, speelt de schrankweerstand een cruciale rol in het bepalen van het minimumaantal lopende meters schrankende wand.

Geometrie

In principe kan men stellen dat wanden met een grotere lengte ook betere prestaties leveren inzake de schrankweerstand. Wanden die korter zijn dan 600 mm, mogen bij de berekeningen alvast niet in rekening gebracht worden.

Stijlen

De sterkteklasse van het gebruikte hout heeft een invloed op de schrankweerstand van de wand. Men opteert het best voor massief hout met CE-conformiteitsmerk en sterkteklasse C18 of beter. De sectie van de stijlen en hun tussenafstand spelen in de meeste gevallen geen rol. Enkel wanneer de beplating in metselwerkverband geplaatst wordt - een uitvoering die in principe af te raden is - zijn deze aspecten doorslaggevend.

Beplating

De beplating van een HSB-wand zorgt in grote mate voor de stijfheid van het geheel. Zowel de keuze van het materiaal als de wijze waarop het aangebracht wordt, is hierbij van cruciaal belang.

• Materiaaleigenschappen: zowel de dikte van de beplating als het type - massiefhoutplaten, triplex, OSB, spaanplaat of gipsvezelplaat - heeft een impact op de schrankweerstand van een wand, met als belangrijke aandachtspunten de stijfheid en ductiliteit. Die laatste heeft betrekking op de mate waarin het materiaal o.i.v. een horizontale belasting kan vervormen alvorens het bezwijkt. Een hoge ductiliteit is hier aangeraden: op die manier kunnen alle schrankende wanden volledig belast worden alvorens de constructie effectief bezwijkt. Brosse materialen met een lage ductiliteit zijn niet noodzakelijk uitgesloten, maar vereisen complexere berekeningen en meer bijkomende maatregelen.
• Enkel/dubbel: een wand die aan beide zijden van een beplating is voorzien, zal beter presteren dan een wand die slechts aan één zijde bekleed is. Zijn de platen en verbindingen aan beide zijden gelijk, dan stelt EN 1995-1-1 dat de totale sterkte in het vlak van de wand genomen mag worden als de som van de sterkten in het vlak van de individuele zijden. Zo niet, dan mag slechts 50% of 75% van de sterkte van de zwakste zijde in rekening worden gebracht.
• Horizontaal/verticaal: in principe is het aangeraden om het plaatmateriaal steeds verticaal en verdiepingshoog aan te brengen. De horizontale lasten worden namelijk via de nagels van de bovenregel op de beplating overgedragen en vervolgens via de beplating en nagels verder op de onderregel. Het is dus best wanneer de beplating tussen boven- en onderregel ook effectief continu is. Aangezien de maximale afmetingen van beplatingsmateriaal vaak kleiner zijn dan een reguliere verdiepingshoogte, is dit echter niet altijd mogelijk. Bij een OSB-beplating wordt er bijvoorbeeld regelmatig geopteerd voor smalle platen die horizontaal en in baksteenverband op de stijlen worden aangebracht. In dit geval dient men extra aandacht te besteden aan de wijze waarop de verschillende platen met elkaar verbonden worden. Dat dient namelijk op een constructieve manier te gebeuren.
• Tand-en-groefverbinding: wanneer de beplating tussen de boven- en onderregel niet continu is, dan moet ervoor gezorgd worden dat de krachten van de bovenste op de onderste plaat overgedragen kunnen worden. Hiervoor zijn er verschillende opties, waarvan het gebruik van een tand-en-groefverbinding in combinatie met een constructieve lijm het meest aangeraden is. Het belang van de verlijming is overigens niet te onderschatten. Zonder verlijming zullen de platen namelijk ten opzichte van elkaar verschuiven, en dat bij een horizontale belasting die aanzienlijk kleiner is dan wanneer de voegen wel in tand en groef verlijmd zijn. De schrankweerstand van een niet-verlijmde wand zou volgens onderzoek slechts 40 à 80% van deze van een verlijmde wand bedragen.

Verbindingen

Zoals hierboven reeds vermeld, wordt de horizontale belasting via de nagels of andere verbindingen van de bovenregel op de beplating en van de beplating op de onderregel overgedragen. Ook de verbindingen spelen met andere woorden een belangrijke rol in het bepalen van de schrankweerstand van een wand. Met name het type verbinding, de diameter, de onderlinge afstand en de mate van verzinking hebben een invloed.

• Materiaaleigenschappen: de ductiliteit van een schrankende wand wordt niet alleen door de beplating bepaald, maar evenzeer door de ductiliteit van de verbindingen tussen de beplating en de stijlen. Ook de richting van de aangrijpende kracht speelt een rol.
• Tussenafstanden: de randafstanden en de onderlinge afstand tussen nagels zijn een functie van de diameter van deze verbindingselementen. Men dient hiervoor steeds rekening te houden met de voorschriften, opgenomen in Eurocode 5. Deze maken een onderscheid tussen hout met een karakteristieke dichtheid < 420 kg/m³ en hout met een karakteristieke dichtheid tussen 420 en 500 kg/m³.
• Diepte: bij het gebruik van pneumatische schieters dient men speciale aandacht te besteden aan de diepte waarop de nagels ingebracht worden. Uit onderzoek is namelijk gebleken dat te diep verzonken nagels wel degelijk een nadelig effect hebben op de schrankweerstand van de wand, dat kan oplopen tot een reductie van de weerstand van wel 25%. Het is dan ook van groot belang dat de pneumatische hamers correct worden ingesteld. Een controle en een aanpassing van de instellingen bij een levering van nieuw plaatmateriaal zijn zeker geen overbodige luxe.