Gewapend beton, van eenvoudige potten tot de hoogste gebouwen ter wereld

Het is zo'n gangbaar materiaal en wordt zo vaak gebruikt dat de meeste ingenieurs er niet diep over nadenken. Voor de meesten van ons is het gewoon een materiaal dat in verschillende vormen aan de vereiste parameters moet voldoen. Maar heeft u zich bij het werken ermee ooit afgevraagd uit welk land het afkomstig is? Of wat de geschiedenis is van een materiaal zonder welk veel wereldberoemde gebouwen nooit gebouwd hadden kunnen worden?

Laten we voor dit artikel complexe constructieve vraagstukken, ontwerp en constructieve beoordelingen, belastingsanalyses en de toepassing van normen even terzijde schuiven. Laten we samen een korte reis door de geschiedenis maken en zien waar dit materiaal vandaan komt, wat de oorsprong is en hoe het zich heeft ontwikkeld, wat heeft geleid tot een ongelooflijke hoeveelheid doeltreffende en bewonderenswaardige gebouwen.

Zoals de naam al aangeeft, bestond vroeg gewapend beton uit twee essentiële componenten: ijzer en beton. Voordat we het gewapend beton zelf bespreken, laten we eerst kort kijken naar beton. Dit is de mensheid al meer dan 2000 jaar bekend.

De voordelen van beton werden al door de Romeinen (sommigen zeggen de Egyptenaren) benut. Sommige gebouwen die zij ermee bouwden staan er vandaag de dag nog. Een uitstekend voorbeeld is de grootste monolithische koepel ter wereld op het Pantheon in Rome (afbeelding hieronder), die in de tweede eeuw na Christus werd gebouwd met behulp van ingestorte betontechnologie. Dit is niet het enige voorbeeld van vroeg gebruik van beton: er zijn veel vergelijkbare constructies in de wereld.

Het is dan ook verrassend dat het idee om beton te wapenen met ijzeren elementen pas in de negentiende eeuw opkwam. Met enige overdrijving kan deze periode de periode van de Technische Renaissance worden genoemd. Naast gewapend beton revolutioneerde ook het gebruik van staal de bouw. Het begon op grotere schaal te verschijnen in de vorm van dragende elementen, slechts korte tijd voordat gewapend beton zelf zijn intrede deed.

In de 19^e eeuw experimenteerden verschillende pioniers met gewapend beton. Een van de vroegste en belangrijkste was de Engelsman William Boutland Wilkinson, die experimenteerde met brandwerende oplossingen bij de bouw van gebouwen. In 1854 gebruikte hij stalen staven en kabels om het beton te wapenen bij de bouw van een huis voor zijn bedienden. Hij patenteerde een oplossing die succesvol bleek.

Een andere pionier was de Franse industrieel François Coignet, de eerste die in 1853 een vierverdiepingen tellend gebouw volledig van gewapend beton bouwde in de Franse stad Saint-Denis. Hij patenteerde zijn oplossing ook in 1855.

De eerste "voorloper" van gewapend beton zoals we dat vandaag de dag kennen, waarbij het beste van beide materialen effectief wordt gecombineerd, d.w.z. de druksterkte van normaal beton met de treksterkte van ijzer, kan worden gedateerd op 1867. Destijds was een Franse tuinman, Joseph Monier (afbeelding hieronder), op zoek naar een vervanging voor klei- en houten potten. Hij probeerde betonnen potten te maken, maar die scheuren - dus probeerde hij een manier te vinden om ze sterk genoeg te maken.

Hij bedacht het idee om een eenvoudige ijzeren constructie te gebruiken, die hij vervolgens met beton bedekte. Het resultaat overtrof alle verwachtingen en Joseph Monier patenteerde zijn oplossing op 16 juli 1867.

Hij stelde zijn uitvinding zelfs tentoon op de Parijse Exposition van dat jaar, waar zijn oplossing groot succes oogstte. In juli van dit jaar (2022) vierde dit patent zijn 155^e verjaardag.

Gewapend beton beleefde vervolgens een enorme opmars in de moderne bouwwereld. Het verspreidde zich voor het einde van de eeuw naar de Verenigde Staten.

Het werd al snel een materiaal dat toepassing vond in alle soorten gebouwen - van wegen en woningen tot monumentale gebouwen in de grootste stedelijke agglomeraties ter wereld. Hand in hand met deze expansie groeiden echter ook de eisen aan de eigenschappen ervan. Beton, als essentieel element, heeft door de jaren heen een revolutionaire evolutie ondergaan. Ingenieurs hebben geëxperimenteerd met samenstelling en belasting, nieuwe sterkteklassen zijn gecreëerd en de mogelijkheden voor gebruik in verschillende omgevingen zijn uitgebreid.

Daarom heeft, net zoals de productietechnologie van beton zich heeft ontwikkeld en de eigenschappen ervan zijn verbeterd, dezelfde evolutie plaatsgevonden in de methoden voor het berekenen van betonconstructies.

Elke constructie bevat zogenaamde B- en D-gebieden, die worden gekenmerkt door een andere ontwerpbenadering.

Wat zijn de B-gebieden?

B-gebieden kunnen worden gedefinieerd als gebieden waarin de hypothese van Bernoulli-Navier geldt, die aanneemt dat een doorsnede die vlak is vóór vervorming vlak blijft na vervorming. Voor dergelijke gebieden kan de oplossing en beoordeling uit de normen veilig worden toegepast. De IDEA StatiCa RCS en IDEA StatiCa Beam bieden oplossingen voor B-gebieden waarin de balktheorie geldig is.

Wat zijn D-gebieden?

De plaatsen waar de hypothese van Bernoulli-Navier niet geldt, worden discontinuïteitsgebieden of storingsgebieden genoemd: de D-gebieden. Dit zijn gebieden van oplegging, rondom enkelvoudige balken, plaatsen van plotselinge veranderingen in doorsneden, openingen, enz. Bij het ontwerp van betonconstructies komen we een aantal andere D-gebieden tegen, zoals wanden, brugliggers, korte consoles, enz.

Ondanks de ontwikkeling van verschillende berekeningshulpmiddelen in de afgelopen decennia, wordt de Staafwerk-methode nog steeds gebruikt bij handmatige berekeningen. De toepassing ervan op praktijkconstructies is echter tijdrovend, omdat meerdere iteraties moeten worden uitgevoerd en ook meerdere belastingscombinaties in beschouwing moeten worden genomen. Bovendien is deze methode ongeschikt voor het verifiëren van bruikbaarheidscriteria (vervorming, scheurbreedten, ...).

Deze en andere vergelijkbare uitdagingen met betrekking tot de analyse van betonconstructies hebben ertoe geleid dat bedrijven zijn gaan samenwerken met de academische wereld. IDEA StatiCa volgde dezelfde aanpak en ontwikkelde in samenwerking met ETH Zürich een methode genaamd Compatible Stress Field Method (CSFM) voor het ontwerp van discontinuïteitsgebieden, die grondig werd getest.

Deze methode is geïmplementeerd in de IDEA StatiCa Concrete applicatie en is gebaseerd op een computerimplementatie van een spanningsveldmodel en maakt gebruik van de basismateriaaleigenschappen die zijn vastgelegd in de betonontwerpnormen. CSFM overwint de beperkingen van klassieke benaderingen en kan worden beschouwd als een gegeneraliseerde vakwerkanalogiemethode, maar waarbij de werkelijk belaste gebieden in beschouwing worden genomen in plaats van de resulterende krachten.

Beton en gewapend beton is daarmee een materiaal geworden waarvan het gebruik vaak wordt voorafgegaan door complexe analyses. De vroege pioniers die ermee experimenteerden, hadden zeker niet kunnen raden hoe breed de basis was die zij voor de industrie legden en hoe ver de bouw met gewapend beton zich zou ontwikkelen.

Wat is de toekomst van gewapend beton? Volgens prof. Kolísko, directeur van het Klokner Instituut in Praag, is gewapend beton zo wijdverbreid en zo eenvoudig te gebruiken dat we een spoedige vervanging ervan niet kunnen verwachten. Er zal echter vaker sprake zijn van optimalisatie van betonconstructies in verband met het zuiniger gebruik van cement, dat een belangrijke bijdrage levert aan de zogenaamde koolstofvoetafdruk.

De toekomst zal ongetwijfeld liggen in UHPC (ultra-hogesterktebeton), waarmee al wordt geëxperimenteerd en dat veelbelovende resultaten oplevert voor de optimalisatie van betonconstructies.

We zijn verheugd dat onze IDEA StatiCa applicatie en andere deel zullen uitmaken van dit verhaal. Al enkele jaren helpen we constructeurs over de hele wereld bij het ontwerpen en optimaliseren van staal- en betonconstructies, waarbij we tijd besparen bij het ontwerpen en de normtoetsing van betonnen staven.

... Wist u dat vrachtschepen ook zijn ontworpen van gewapend beton? Maar meer daarover de volgende keer.