Handboek Onderhoud, Renovatie, Restauratie II.5.3 Degradatie van ...
Transcript of Handboek Onderhoud, Renovatie, Restauratie II.5.3 Degradatie van ...
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 1
Handboek Onderhoud, Renovatie, Restauratie
II.5.3 Degradatie van structuren
Standzekerheidsproblemen bij oude funderingssystemen, deel 1
em. prof. dr. ir. Dionys Van Gemert, KU Leuven en Triconsult nv
ir. Sven Ignoul, Triconsult nv
ing. Kristof Verreydt, Triconsult nv
dr. ir. Kris Brosens, Triconsult nv
dr. ir.-arch. G. Heirman, Triconsult nv
1. Inleiding
De ‘fundering’ van een gebouw omvat alle structurele elementen die voorkomen dat het gebouw wegzinkt
in de bodem. De grondlagen onder de fundamentmassieven is de basis waarop of waarin de structuur is
geplaatst, op zulke wijze dat de zakkingen, ‘zettingen’ genoemd in de funderingstechniek, onder controle
blijven en specifieke waarden niet overschrijden. Om hieromtrent zekerheid te verkrijgen is het
noodzakelijk om te begrijpen hoe de bodem vervormt onder stijgende belasting of bijvoorbeeld onder
veranderende hoogte van de grondwaterspiegel.
Doorheen de eeuwen is deze kennis voornamelijk door ervaring opgebouwd, en de draagkracht van in de
diepte opeenvolgende grondlagen werd steeds geëvalueerd op basis van sonderingen, waarbij de kracht
werd gemeten die nodig is om een stang in de bodem te duwen.
De laatste 250 jaar is de kennis van de grond geëvolueerd naar een wetenschap, de ‘grondmechanica’.
Belangrijke bijdragen hiertoe werden geleverd door Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806); Henry
Darcy (1803-1858); Karl von Terzaghi (1883-1963); Albert Keverling S. Buisman (1890-1944):
grondlegger van de grondmechanica in Nederland. Edward Edmond E. De Beer (1911-1994): grondlegger
van de grondmechanica in België. De wetenschappelijke studie van funderingsproblemen is dus nog een
vrij jonge wetenschap, die amper 100 jaar oud is. De grondmechanica levert de theoretische basis voor de
toegepaste funderingstechnieken.
Veelal gaat men ervan uit dat het de funderingen zijn die de structuur schragen. Inderdaad, als de
fundering niet voldoet, zullen zettingen optreden, gevolgd door scheuren in de metselwerkmuren. Deze
scheuren verraden niet alleen onmiddellijk waar de mankementen aan de funderingen gelokaliseerd zijn,
maar zij tonen ook aan dat het bovengronds metselwerk ook deel uitmaakt van het funderingssysteem. Dit
betekent dat ook bovengrondse wijzigingen in het gebouw een effect zullen hebben op het
vervormingsgedrag van de funderingen. Het gebouw zelf is dus ook onderdeel van de structuur die nodig
is om het gebouw stabiel op de bodem te funderen!
Indien de grond voldoende draagkrachtig is, kan het gebouw ondiep gefundeerd worden, zolang de
funderingsaanzet maar dieper ligt dan de vorstgrens (de diepte tot dewelke de grond kan bevriezen). Als
de oppervlakkige grondlagen de belasting vanwege het gebouw niet kunnen dragen zonder dat te grote
zettingen optreden, moeten dieper gelegen grondlagen opgezocht worden die deze belasting wel
aankunnen. Met de toename van de nodige aanzetdiepte, zal de fundering moeten bestaan uit een hoger
metselwerkmassief, waarin eventueel spaarbogen voorzien worden om materiaal uit te sparen. Bij grotere
aanzetdiepte, zal overgeschakeld worden op putfunderingen, en bij nog grotere diepte worden eerst palen
in de grond gedreven tot de vereiste diepte. Op de putten en palen wordt het metselwerk aangezet,
eventueel via een bijzondere tussenconstructie, Fig. 1.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 2
Ondiepe fundering ‘op staal’ Puttenfundering Paalfundering
Fig. 1 Basistypes voor funderingen [1]
De techniek van funderingen op houten palen is door de Romeinen in onze streken geïmporteerd. In het
begin werden alleen korte palen gebruikt, die bedoeld waren om de grond te verdichten en zo het
draagvermogen te verhogen, Fig. 2.
Fig. 2 Paalgaten van compactiepalen onder een Romeinse villa, ontdekt bij de archeologische
opgravingen onder de OLV-Basiliek in Tongeren (2005). De palen zelf zijn weggerot, de paalgaten zijn
bewaard in de Haspengouwse leemgrond.
Vanaf de 16de
eeuw werden ook lange palen gebruikt, die geheid werden tot in de stevige grondlagen.
Historische funderingen werden meestal zwaarder belast dan met de huidige berekeningstechnieken en
ontwerpnormen zou toegestaan zijn voor nieuwe bouwwerken. Het mag dan ook niet verwonderen dat die
oude funderingen dikwijls onderhevig waren aan sterke zettingen, Fig. 3, 4, 5. Soms gaan die zettingen
ook heden nog door.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 3
Fig. 3 Scheefgezakte abdijmuur, kant Plankstraat te Sint-Truiden (2005)
Fig. 4 Ongelijke zettingen door lokale, zware belastingen (Parkabdij Leuven, 1990)
Fig. 5 Grote zettingen door te kleine funderingszolen van de kolommen. De continue fundering onder de
zwaarder belaste muren onderging een kleinere zetting. (Abdij Tongerlo, 2005).
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 4
Biologische aantasting door bacteriën en fungi is een belangrijke schadeoorzaak bij houtconstructies, en
in het bijzonder voor oude, ondergrondse houten elementen, Fig. 6.
Fig. 6 Weggerotte langsbalken, kespen en paalkoppen, Molens van Rotselaar (1987) [2]
In deze bijdrage worden de criteria beschreven omtrent de noodzaak tot versterking of vervanging van
oude funderingen. Daarbij worden vier categorieën onderscheiden: conventionele ondermetseling,
micropalen, jet-grouting en grondverbetering door injectie. Het zal blijken dat alle methodes voor- en
nadelen hebben: geen enkele methode is de beste voor alle schadegevallen.
2. Historische funderingsconstructies
De oude funderingsconstructies bestaan uit verschillende materialen, met in hoofdzaak hout, natuursteen-
en baksteenmetselwerk. De stijfheid en de sterkte van deze funderingen is veel lager dan deze van
moderne funderingen, en in de oude funderingen wordt de draagkracht van de bodem veel sterker
aangesproken. De vraag moet ook steeds gesteld worden of de oude fundering moet voldoen aan de
huidige normeisen in verband met gebruiksbelasting en uiterste grenslast, m.a.w. is een
funderingsversterking vereist, of kan de fundering ook zonder versterking de gevraagde performantie
leveren, zonder dat ontoelaatbare schade optreedt. In vele gevallen kan het economischer zijn niet-
storende schade te herstellen tijdens de normale onderhoudswerkzaamheden.
2.1. Bodemgesteldheid Oude nederzettingen ontstonden bij voorkeur nabij rivieren of meren. In heuvelachtige of bergachtige
streken ontstonden nederzettingen in de valleien. De bodem bij de meeste oude funderingen bestaat dus
uit rivier-, meer- of zee-afzettingen. Dat kunnen stevige bodems zijn die bestaan uit keien, grint of zand,
maar ook zachte bodems van klei en leem, of bodems van organische oorsprong zoals mergel, turf en
veen, of organische sedimenten (gyttja’s). De grondwatertafel is meestal variabel, en volgt meestal de
grondwaterstanden van de landzijde.
Bovenop de natuurlijke grondlagen kan bij oude nederzettingen soms een toplaag aanwezig zijn van puin
en afval, afkomstig van de vroegere bewoning. Deze kan tot 3 m dik zijn. Deze laag bestaat dan uit puin,
afbraakmateriaal, restanten van vroegere funderingen, huishoudelijk en dierlijk afval, brandlagen
afkomstig van afgebrande woningen, …. Sommige elementen in deze toplaag zijn van organische
oorsprong, en kunnen boven de grondwaterspiegel verder vergaan.
De slappe sedimenten langs het water zijn direct of indirect de oorzaak van de meeste schade aan
funderingen. De bodem kan onder te hoge belasting blijven vervormen (kruipen), en de
funderingsconstructies verliezen hun sterkte of desintegreren zelfs.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 5
2.2. Metselwerkfunderingen Op voldoende stevige bodems boven de grondwaterspiegel werden ondiepe funderingen van natuursteen-
en baksteenmetselwerk gebouwd, totdat het beton en gewapend beton hun intrede deden. Dergelijke
funderingen worden algemeen ‘fundering op staal’ genoemd. Afzonderlijke funderingen onder kolommen
worden ‘voetingen’ of ‘enkelvoudige zolen’ genoemd. Onder muren spreekt men van ‘funderingszolen’
of ‘doorlopende zolen’, of ‘strookfundering’. Als de funderingszolen onder de muren elkaar kruisen,
spreekt men van een ‘rooster’. Als de fundering continu is in twee richtingen, spreekt men van ‘vloeren’
of ‘platen’.
In vele gevallen werden bij natuursteenmetselwerk de onderste lagen van de fundering zelfs gebouwd
zonder mortel. Bij hoge grondwaterspiegel kon zo verder in den droge hoger gemetseld worden.
Voor minder belangrijke bouwsels werd de fundering zelfs helemaal zonder mortel uitgevoerd: de
funderingssleuf werd met natuursteen- of baksteenbrokken gevuld. Daarop werd zand gespreid, dat in
opeenvolgende lagen met water werd begoten zodat het in de holten tussen de brokken vloeide. Deze
procedure werd herhaald tot volledige vulling van de holten. In de Kempen werd dit funderingstype
‘zulling’ genoemd.
De nodige breedte van de fundering werd verkregen via vertanding, Fig. 7. De helling α van de
verschillende vertandingsstappen moest vrij groot zijn (α ≈ 70-80°) om afbreken van de verbrede teen te
vermijden.
Fig. 7 Vertanding van funderingsmetselwerk
(1) Eventueel enkele lagen zonder mortel
(2) Gemorteld metselwerk
Normaal werd aangezet op de natuurlijke bodem, en zeker niet op vers aangevulde grond. Soms werd
verder gebouwd op oude aanvullingen, op puin, of op restanten van funderingen van vroegere gebouwen.
Oude aanvullingen of puin kunnen leiden tot voortdurende verzakkingen, omdat de kalkmortel die erin
aanwezig is door het doorsijpelend regenwater uitgeloogd wordt, waardoor het puin verder inzakt.
Door tussen de strookfunderingen omgekeerde gewelven (schalen) te bouwen wordt het oppervlak van de
fundering sterk vergroot, waardoor de belasting op de bodem veel beter verdeeld wordt, Fig. 8.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 6
Fig. 8 Omgekeerde schalen als last- en gronddrukverdelers
(3) Omgekeerde metselwerkschaal
(4) Anker voor spatkrachten
Het weze opgemerkt dat deze schalen slechts effectief hun verdelende functie kunnen vervullen, als de
spatkrachten van de gewelven opgevangen worden. Normaal gebeurt dat via de passieve gronddrukken op
de bodem naast de verticale muren: als de muren tegen de grond drukken, spreekt men van passieve
gronddruk; als de grond tegen de muur drukt, spreekt men van actieve gronddruk; passieve gronddrukken
kunnen veel hoger zijn dan actieve gronddrukken. Er moet dus een grondmassief achter de verticale
muren aanwezig zijn, zoniet moeten er extra ankers geplaatst worden.
Om materiaal te sparen werden de muren soms gebouwd op afzonderlijke, diep aangezette pijlers,
verbonden met zogenaamde ‘spaarbogen’ of ‘grondbogen’, Fig. 9a.
Fig. 9a Diep aangezette pijlers, met spaarbogen
De bogen ontlasten wel de grond tussen de pijlers, maar zorgen natuurlijk wel voor een grotere belasting
op de pijlers.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 7
Voordeel van de bogen is het uitsparen van metselwerkmateriaal, vandaar de naam ‘spaarboog’. Fig. 9b
toont dergelijke spaarbogen onder een abdijmuur.
Fig. 9b Spaarbogen in muur van Abdij van Tongerlo, 2005
Fig. 9b toont ook het nadeel van de spaarbogen. Als deze te hoog reiken, kan de grond wegstromen
doorheen de boog. Vandaar dat de meeste spaarbogen nadien met een grondkerende muur werden
toegemetseld.
In sommige gevallen zijn de funderingen aangezet op slechts enkele centimeter onder de keldervloer, Fig.
10. Dikwijls had dit te maken met de ligging van de grondwaterspiegel.
Fig. 10 Aanzet van fundering op staal enkele cm onder keldervloer
Het weze echter duidelijk dat de draagkracht van dergelijke asymmetrische fundering veel lager is dan bij
een dubbelzijdig ingegraven, dus symmetrische funderingssituatie. In dit geval wordt de draagkracht van
de fundering bepaald door de zwakste zijde, namelijk de binnenzijde. Als de keldervloer niet in staat is
om krachten op te nemen, zoals bij de omgekeerde gewelven, of bij een in de keldermuren verankerde
vloerplaat in gewapend beton, vermindert de draagkracht zeer sterk, zoals hierna wordt aangegeven.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 8
2.3. Draagvermogen van een fundering op staal Tot het begin van de 20
ste eeuw was het verband tussen het draagvermogen en de afmetingen en
aanzetdiepte van een enkelvoudige of doorlopende zool niet gekend. Tot dan dacht men dat op grotere
diepte de intrinsieke sterkte van de grond toenam, en dus ook het draagvermogen van de zool. Er
bestonden alleen wat ervaringsregels, wat ertoe leidde dat de zolen veel zwaarder belast werden dan
eigenlijk toelaatbaar was om de zettingen te beperken, of zelfs om grondbreuk te vermijden. Wanneer bij
een renovatie of restauratie het gebouw een nieuwe functie en belastingen krijgt, is het noodzakelijk met
de moderne rekentechnieken te toetsen of de funderingen voldoen aan de huidige normen [4].
Een ondiepe fundering op staal ontleent haar draagvermogen aan drie elementen:
1. de nevenbelasting, dit is het gewicht van de grond die naast de fundering ligt
2. de wrijving van de grondkorrels
3. de cohesie van de grond onder het aanzetpeil van de fundering.
Vanaf het begin van de 20ste eeuw werden door verschillende onderzoekers, waaronder L. Prandtl, K. von
Terzaghi, D. Taylor, K. Buisman en G. Meyerhof, formules ontwikkeld om het draagvermogen van een
strookfundering te bepalen. Deze theorieën baseren zich op de schuifweerstandsformule van Charles-
Augustin de Coulomb (1785) (1)
kτ c σ tgϕ= + ⋅ (1)
waarin: τ = afschuifsterkte van de grond (N/mm²)
c = cohesie of inwendige kleefkracht van de grond (N/mm²)
σk = effectieve korrelspanning of effectieve gemiddelde druk tussen de grondkorrels
(N/mm²)
φ = hoek van inwendige wrijving van de grond, of wrijvingshoek tussen de grondkorrels
(ook inwendige wrijvingshoek genoemd)
Deze formule is analoog aan de formulering voor de wrijvingskracht: de kracht die nodig is om een
gewicht te verschuiven over een horizontaal vlak is gelijk aan dit gewicht, vermenigvuldigd met de
wrijvingscoëfficiënt. Alleen komt er hier nog een kleeffactor c bij.
De hoek van inwendige wrijving mag niet verward worden met de hoek van het zogenoemde ‘natuurlijk
talud’ van een grond. Dit natuurlijk talud is immers van vele factoren afhankelijk. Deze verwarring had
voor gevolg dat velen lang aangenomen hebben dat de inwendige wrijvingshoek van zand onder water
kleiner is dan in afwezigheid van water. Dit is niet het geval: de invloed van het water op de
wrijvingshoek is gering, en kan zelfs gunstig zijn [5]. De aanwezigheid van water heeft echter een grote
invloed op de effectieve korrelspanning σk wegens de opdrijvende Archimedeskracht: als de
korrelspanning afneemt, neemt ook de afschuifsterkte af volgens formule (1).
Als de belasting groter wordt dan het draagvermogen van de grond zal er een breukvorm in de grond
ontstaan, als getoond in Fig. 11.
De strookfundering is aangezet op diepte D onder het maaiveld, en heeft een breedte B. De grond op
diepte D oefent een druk q uit op de onderliggende grondlagen. Onder de zool ontstaat een driehoekige
grondwig (zone1), die in de bodem wordt ingeduwd. Daartoe is het nodig dat de zones 2 en 3 wegglijden
over de geschetste lijnen. De zones 1 en 3 zijn driehoeken, de zones 2 worden onderaan begrensd door
een logarithmische spiraal. In het onderpunt van driehoek 1 is de tophoek gelijk aan (π/2 – ϕ).
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 9
Fig. 11 Veronderstelde bezwijktoestand bij de berekening van het draagvermogen van een
strookfundering [6]
De grootte van het te verplaatsen grondmassief wordt dus mede bepaald door de inwendige wrijvingshoek
φ en de breedte B van de zool. De driehoek 1 kan slechts zakken, als de zones 2 en 3 omhooggestuwd
worden en schuiven over de glijlijnen. Het eigengewicht en de belasting q verzetten zich tegen dat
opstuwen, en de cohesie c (de kleefkracht langs de glijlijnen) en de wrijving tussen de korrels σk⋅tgφ
langsheen de glijlijnen verzetten zich tegen de verschuiving.
Het draagvermogen is dus opgebouwd uit 3 delen:
- één deel afkomstig van de bovenbelasting q op de aanzetdiepte
- één deel afkomstig van de cohesie
- één deel afkomstig van het eigengewicht van de grond
De berekening van deze drie aandelen is vrij complex. Daarvoor wordt verwezen naar de gespecialiseerde
literatuur [5]. Het resultaat luidt:
γcqc γ.B.N
2
1c.Nq.Nq ++= (2)
Waarden van de invloedscoëfficiënten Nq, Nc en Nγ zijn gegeven in Tabel 1. Deze waarden gelden voor
een gedraineerde situatie, d.i. wanneer het water in de grond kan ontsnappen als de grond samengedrukt
wordt. In een ongedraineerde situatie, waarbij het water opgesloten zit in de grond, wordt de
wrijvingshoek φ nagenoeg 0, en is de schuifsterkte nagenoeg gelijk aan de cohesie. In de ongedraineerde
situatie moeten de coëfficiënten voor φ = 0° gebruikt worden.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 10
ϕϕϕϕ (°) Nc Nq Nγγγγ ϕϕϕϕ (°) Nc Nq Nγγγγ
0 5.14 1.00 0.00 23 18.05 8.66 6.50
1 5.38 1.09 0.00 24 19.32 9.60 7.66
2 5.63 1.20 0.01 25 20.72 10.66 9.01
3 5.90 1.31 0.03 26 22.25 11.85 10.59
4 6.19 1.43 0.06 27 23.94 13.20 12.43
5 6.49 1.57 0.10 28 25.80 14.72 14.59
6 6.81 1.72 0.15 29 27.86 16.44 17.12
7 7.16 1.88 0.22 30 30.14 18.40 20.09
8 7.53 2.06 0.30 31 32.67 20.63 23.59
9 7.92 2.25 0.40 32 35.49 23.18 27.72
10 8.34 2.47 0.52 33 38.64 26.09 32.59
11 8.80 2.71 0.66 34 42.16 29.44 38.37
12 9.28 2.97 0.84 35 46.12 33.30 45.23
13 9.81 3.26 1.05 36 50.59 37.75 53.40
14 10.37 3.59 1.29 37 55.63 42.92 63.18
15 10.98 3.94 1.58 38 61.35 48.93 74.90
16 11.63 4.34 1.91 39 67.87 55.96 89.01
17 12.34 4.77 2.31 40 75.31 64.19 106.05
18 13.10 5.26 2.77 41 83.86 73.90 126.74
19 13.93 5.80 3.30 42 93.71 85.37 151.94
20 14.83 6.40 3.93 43 105.11 99.01 182.80
21 15.81 7.07 4.66 44 118.37 115.31 220.77
22 16.88 7.82 5.51 45 133.87 134.87 267.74
Tabel 1 Invloedscoëfficiënten voor de berekening van het draagvermogen van funderingen op staal [6]
Voorbeeld:
We berekenen het draagvermogen van een strookfundering met breedte B = 0.6 m, aanzetdiepte D = 0.8
m. Er wordt een leemhoudend zand met volgende kenmerken verondersteld: inwendige wrijvingshoek φ
= 30°; cohesie 1 kPa = 1 kN/m². Er is geen grondwater.
De nevenbelasting q = 16 kN/m³ × 0.8m = 12.8 kN/m²
In Tabel 1 worden volgende waarden afgelezen:
Nq = 18.4 ⇒ q⋅Nq = 12.8 × 18.4 = 235.5 kN/m²
Nc = 30.14 ⇒ c⋅Nc = 1 × 30.14 = 30.1 kN/m²
Nγ = 20.1 ⇒ 0.5⋅γ⋅B⋅Nγ = 0.5 × 16 × 0.6 × 20.1 = 96.5 kN/m²
Totaal: 362.1 kN/m²
Hieruit blijkt reeds dat de nevenbelasting de grootste bijdrage levert. Verder is de cohesie een vrij
onbetrouwbare factor, zodat deze meestal verwaarloosd wordt, tenzij een gedetailleerd grondonderzoek
(bijvoorbeeld met vinproeven) een betrouwbare waarde aangeeft voor de cohesie c. Indien er grondwater
aanwezig is, neemt het eigengewicht af van 16 naar 10 kN/m³, en neemt de bijdrage van het eigengewicht
evenredig af.
Op deze waarden wordt een veiligheidsfactor toegepast, die in principe op de materiaalkarakteristieken
inwerkt. Normaal komt dat uit op een reductie met ongeveer factor 3, zodat het draagvermogen ongeveer
(235.5 + 96.5)/3 = 110.7 kN/m².
Per strekkende meter strookfundering van de aangenomen grond (die in feite een goede, draagkrachtige
grond is) is het veilige draagvermogen dus 0.6 m × 110.7 kN/m² = 66.4 kN/m.
Als dit vergeleken wordt met het eigengewicht van een 0.4 m dikke massieve metselwerkmuur (0.4 m² ×
19 kN/m³) = 7.6 kN/m, volgt hieruit dat bij een muurhoogte van 66.4/7.6 = 8.7 m de limiet al bereikt is.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 11
Daarbij moet dan nog het gewicht van vloeren en dak geteld worden, zodat de beschikbare muurhoogte
nog kleiner wordt. Om die redenen was het ook nodig om de muurdikte dunner te maken op de
verdiepingen (verjongen), om reserve te creëren voor de nuttige belastingen.
Indien de muur, zoals in Fig. 10, slechts op 20 cm diepte onder de keldervloer zou aangezet zijn, valt de
nevenbelasting terug tot 16 kN/m³ × 0.2 m = 3.2 kN/m². De bijdrage van de nevenbelasting valt dan terug
tot 18.4 × 3.2 = 58.9 kN/m², en het totale toelaatbare draagvermogen valt terug op (58.9 + 96.5)/3 = 51.8
kN/m² of 51.8 × 0.6 = 31 kN/m, of ongeveer de helft van het normale draagvermogen van de
strookfundering (66.4 kN/m).
2.4. Funderingen op ontlastingskelders Indien het terrein op een zodanige diepte wordt uitgegraven, dat het gewicht van de uitgegraven grond
overeenkomt met het gewicht van het op te richten bouwwerk, dan zal het bouwwerk geen zettingen
veroorzaken, maar ten hoogste zettingen die overeenstemmen met de zwellingen en elastische
vervormingen die zich voordoen tijdens de uitgraving en de oprichting van het bouwwerk, Fig. 12. Die
zettingen zullen zich dan ook in hoofdzaak voordoen tijdens de bouw, en weinig nadelen opleveren omdat
het gebouw zich continu kan aanpassen. Dergelijke bouwwijze werd en wordt veelvuldig toegepast bij
slappe grondlagen, wanneer grote zettingen te verwachten zijn.
Fig. 12 Fundering op ontlastingskelders [7]
3. Funderingen op hout
3.1. Historiek en gebruikte houtsoorten Sinds de Romeinse tijd werden zware stenen bouwwerken gebouwd op slappe gronden onder de
grondwatertafel door gebruik te maken van houten palen en balken. Deze techniek werd eigenlijk reeds in
het stenen tijdperk toegepast (vóór 4500 à 2000 jaar BC).
In de Middeleeuwen waren de palen meestal korter dan 2 m, met een maximale lengte van 4 m en
diameters van 10 tot 30 cm. Deze korte palen werden op korte afstand van elkaar in de grond gedreven als
grondverdichting. De palen reikten meestal niet tot in de draagkrachtige laag. Lange palen met grotere
diameter, die moesten doordringen tot in de draagkrachtige laag, en die in een regelmatig rooster werden
geplaatst, werden occasioneel ook reeds door de Romeinen gebruikt. Vanaf de 16de eeuw werden
dergelijke ‘lange palen’ courant gebruikt in onze streken.
Alle soorten beschikbaar hout van bomen met lange rechte stam, werden gebruikt voor houten
funderingsconstructies. Voor de dwars- en langsbalken werd bij voorkeur eik en olm gebruikt, maar ook
minder rotbestendige houtsoorten werden toegepast, zoals beuk en els.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 12
Els werd courant gebruikt in dijkconstructies. Omwille van hun rechte stam werd ook veel naaldhout
gebruikt, zoals spar, vuren, den, lork. Voor lange palen en voor dwars- en langsbalken werd in de 19de
eeuw courant dennenhout gebruikt, wegens zijn grote duurzaamheid onder water. Lork was nog
duurzamer, maar niet voldoende beschikbaar.
3.2. Types van houten funderingen Vier types houten funderingen worden onderscheiden:
- houten balkenvloer
- funderingen op korte palen
- funderingen op korte palen met houten balkenvloer
- funderingen op lange palen
3.2.1. Houten balkenvloer
In de Middeleeuwen werd de balkenvloer opgebouwd met houten langsbalken met diameter 30 à 40 cm
en een lengte van 8 m. Deze werden dicht tegen elkaar op de grond gelegd, en verbonden met korte
dwarsbalken onder of boven de langsbalken. De lengte van de dwarsbalken was 1 tot 2 m, Fig. 13.
Fig. 13 Fundering op houten balkenlaag, middeleeuwse uitvoering
(1) dwarsbalken
(2) langsbalken
(3) losse steenlaag, zonder mortel
(4) metselwerk, met mortel
Op de hoeken van het gebouw werden de balken kruisgewijs geplaatst. De voegen tussen de langsbalken
werden geschrankt. De holten tussen de balken werden opgevuld met grint, steenslag of leemhoudende
grond. Op deze vloer werd dan de zool of voeting aangezet: eerst een paar lagen zonder mortel,
daarboven werd verder gemetseld met mortel.
Vanaf de 16de
eeuw werd de opbouw anders, als getoond in Fig. 14. Dit type werd standaard vanaf de 19de
eeuw.
In plaats van ronde balken werden nu nagenoeg vierkante balken gebruikt met 20 à 30 cm zijde. De
langsbalken werden niet meer naast elkaar gelegd, maar met een tussenruimte van 40 à 70 cm, meestal
één balk onder elke rand van het fundament en één in het midden. De korte dwarsbalken werden
ingekeept om de langsliggers te vatten. De dwarsbalken konden zowel langs onder als langs boven gelegd
worden. Na het vullen van de holten tussen de balken met grond, werden 5 à 8 cm dikke planken dwars
over de langsbalken genageld. De langsbalken werden ook in de langsrichting trekvast verbonden via
houtverbinding of met metalen bandijzers.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 13
Fig. 14 Fundering op houten balkenlaag, 16
de eeuwse uitvoering
(5) dikke planken
(6) opvulling
(7) metselwerk
Deze houten vloeren werden tot het begin van de 20ste
eeuw gebruikt voor eenvoudige gebouwen, met als
doel een stabiele basis te vormen voor het funderingsmetselwerk, om een betere verdeling van de lasten
op de bodem te verkrijgen, en om het ondergrondse deel van de constructie te verstijven.
3.2.2. Fundering op korte palen en funderingen met korte palen en balkenlaag
Korte palen werden alleen toegepast, of in combinatie met een houten balkenvloer. In de Romeinse tijd en
in de Middeleeuwen hadden de palen een lengte van 0.5 tot 3 m, meestal ongeveer 1.5 m, met een
diameter van 10 à 20 cm. De palen werden dicht naast elkaar in de slappe grond ingeklopt, Fig. 2 en Fig.
15.
Meestal reikten de paalpunten niet tot in de draagkrachtige laag. Zolang deze palen werden gebruikt (tot
begin 20ste
eeuw) waren deze korte palen bedoeld om de bovenste grondlagen te compacteren, en om zo
een stabiele basis voor het metselwerk te verkrijgen.
De voeting of de zool werd op de gewone manier aangezet, rechtstreeks op het met de korte palen
verdichte grondoppervlak, ofwel op een balkenlaag als hiervoor beschreven die eerst op het verdichte
oppervlak werd gelegd, Fig. 16.
In dit laatste geval werden de korte palen meestal ingeklopt over de ganse lengte van de zool, alhoewel de
korte palen soms ook geconcentreerd werden in de hoekzones van het gebouw of onder pijlers. De
balklaag moest dan de zones tussen de groepen van korte palen overbruggen. Bij het heien van een
palengroep werd begonnen in het centrum van de groep, en zo verder naar de buitenrand. Daardoor werd
een grote hoeveelheid grond naar buiten weggeduwd, en werd een goede verdichting verkregen.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 14
Fig. 15 Fundering op korte palen (Middeleeuwen). Palen rechtstreeks onder het metselwerk.
Fig. 16 Combinatie van korte palen en balkenvloer
(1) Korte palen
(2) Langsbalken
(3) Metselwerk zonder mortel
(4) Metselwerk met mortel
Nadeel was dan wel dat het houtverbruik zeer hoog was, en kon oplopen tot 40 à 50% van het oppervlak
van de palengroep.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 15
In de 19de
en 20ste
eeuw werden de palen eerst in een regelmatig rooster van ongeveer 1 m × 1 m ingeheid,
en nadien werden daartussen andere palen ingeheid. Zo werd een goede verdichting verkregen met
minder palen.
Een verbeterd type fundering met korte palen en balkenlaag werd gebruikt vanaf de 13de eeuw, Fig. 17.
Fig. 17 Korte palen met balkenlaag, vanaf 13
de eeuw
(1) Korte palen
(2) Langsbalken
(3) Dwarsbalken
(4) Compactiepalen
Een roosterwerk van langs- en dwarsbalken werd vastgemaakt op een eerste reeks alleenstaande korte
palen, die iets langer waren dan de nadien ingeheide compactiepalen. Langs- en dwarsbalken werden met
inkepingen gekruist geplaatst, zodat de langsbalken dwars verbonden werden, en de bovenzijde van
dwars- en langsbalken in hetzelfde horizontaalvlak lagen, Fig. 17 (c )en (d). De langsbalken werden ook
in de langsrichting trekvast verbonden. De roostervakken werden volledig opgevuld met korte palen.
Doordat het roosterwerk zorgt voor een horizontale opsluiting van de korte palen, ontstaat een stevig
geheel van palen en ingesloten grond, en neemt het draagvermogen sterk toe. Dit systeem werd veelal
gebruikt voor zwaar belaste funderingen met brede muurbasis, zoals bij torens en brugpijlers. Een nadeel
was wel dat de langsbalken verzwakt werden door de inkepingen.
3.2.3. Funderingen op lange palen
Vanaf de 16de
eeuw in Nederland en vanaf de 18de
eeuw in Duitsland werden ook lange palen toegepast.
Daartoe werden lange boomstammen gebruikt met diameter van 20 tot 40 cm. De lengte van de palen
werd bepaald door de bodemgesteldheid, maar ook door de beschikbaarheid van lange stammen, en door
de capaciteit van de hei-installatie. In Amsterdam werden toch al palen ingeheid met een lengte tot 20 m,
waarvoor dus een enorm heitoestel nodig moet geweest zijn. Normaal werden stammen tot 7 à 12 m
gebruikt. Voor langere palen werden 2 of meer stukken gebruikt, die tijdens het heien de een op de ander
verbonden werden. [3]
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 16
Het heien gebeurde met een katrol- of een windas-systeem. Beiden werkten met een valgewicht
(valhamer): de valhamer werd omhooggetrokken op een stellage met een katrol, waarbij het touw ritmisch
getrokken werd door 10 tot 50 arbeiders. De valhamer kon 150 tot 600 kg wegen, en de valhoogte ging tot
1.2 m. 200 tot 300 slagen per uur konden gehaald worden.
Met de lier (windas) werd de valhamer, die in dit geval 600 tot 800 kg kon wegen, opgetrokken tot 2 à 8
m, door arbeiders en later door een stoommachine. Daarmee konden slechts 20 tot 30 slagen per uur
gehaald worden.
Uit de paalzakking per aantal slagen werd bepaald of de paal een voldoende diepte of draagkracht had
bereikt.
Bij het inheien van de lange en dikke palen moest een zekere afstand aangehouden worden tussen de
palen, om te vermijden dat de palen zouden beschadigd of weggeduwd worden door de grondverdringing
en de compactie. Normaal werd een tussenafstand van 1.0 tot 1.25 m gehanteerd. De verdichting van de
grond door het groepseffect dat met de korte palen werd nagestreefd, moest bij de lange palen opgegeven
worden, om het inheien mogelijk te maken. Alleen door steun te nemen op een dieper gelegen
draagkrachtige laag, gecombineerd met grondwrijving op de lange paalschacht, kan een lange paal
voldoende draagkracht verkrijgen. Daarin ligt juist het onderscheid met de korte palen.
Na het inheien van de paal werd de paalkop onder de grondwaterspiegel afgezaagd. Daartoe werd
eventueel een diepere sleuf gegraven, om onder het grondwaterpeil te geraken. Bij het afzagen werd een
tap (lip) gelaten voor de verbinding met de langsbalk of met de dwarsbalk (kesp), afhankelijk van de
opbouw met onder- of bovenliggende dwarsbalken, Fig. 18. Later werd de verbinding met metalen doken
gerealiseerd, Fig. 6. De vakken in het balkenrooster werden gevuld met grint en zand, en afgedekt met
dikke planken. Soms werd het balkenrooster weggelaten, en werden dikke planken kruisgewijs op de
paalkoppen gestapeld.
Als de palen tot in de draagkrachtige laag konden geheid worden, sprak men van ‘staande palen’. Indien
de lengte van de palen, of de inheidiepte onvoldoende was om de draagkrachtige laag te bereiken, sprak
men van ‘zwevende palen’. Bij staande palen kan men bij benadering zeggen dat de gebouwbelasting via
de paalschacht wordt overgebracht naar de sterke grondlaag. Bij zwevende palen wordt de kracht via
wrijving overgebracht naar de omringende (slappere) grond boven de draagkrachtige laag. Daardoor
treden natuurlijk samendrukkingen van deze slappe lagen op, die permanent kunnen verdergaan. De
evolutie van de zettingen wordt immers bepaald door de snelheid waarmee het water uit deze
samengedrukte grondlagen kan ontsnappen. En deze slappe lagen zijn over het algemeen weinig
doorlatend, zodat het uitpersingsproces van het water zeer lang kan duren.
Als een paal bedoeld was als staande paal, werd de paalpunt aan het dikke einde gemaakt. Bij het inheien
werd zo de wandwrijving op de paal gereduceerd, en kon het heien gemakkelijker verlopen. Voor
zwevende palen werd de paalpunt aan de smalle kant gemaakt, om zoveel mogelijk wandwrijving op de
paal te mobiliseren.
Het draagvermogen van de palen werd vroeger met vuistregels geraamd. Uit proeven is echter gebleken
dat daarmee soms zware overschattingen werden gemaakt [3]. Daaruit blijkt dat vele oude funderingen op
lange houten palen niet reiken tot in de draagkrachtige lagen, en zich eerder gedragen als een tussenvorm
tussen een echte paalfundering en een ondiepe fundering op staal. Dit mag ook niet verwonderen, omdat
vooreerst er vroeger geen methodes waren om de sterke grondlagen op te zoeken, en vervolgens waren de
heitoestellen ook minder performant.
Tegenwoordig worden het draagvermogen en de diepteligging van de draagkrachtige lagen afgeleid uit
diepsonderingen.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 17
Fig. 18 Fundering op lange palen
(1) Lange paal, afgezaagd onder waterniveau
(2) Langsbalk
(3) Tap
(4) Dwarsbalk
(5) Dikke planken
(6) Funderingsmetselwerk
(7) Opvulling met grint en zand
4. Diepsonderingen Zowel voor funderingen op staal als voor paalfunderingen is de kennis van de gelaagdheid van de grond
en van de sterkte van de opeenvolgende grondlagen noodzakelijk om een betrouwbare berekening te
maken van het draagvermogen en van de te verwachten zettingen. Proefondervindelijk terreinonderzoek
is daartoe het beste middel, en de aangewezen methode is de diepsondering. Bij deze methode wordt een
sonde in de grond geduwd, waarbij de puntweerstand en de kleef opgemeten worden in functie van de
diepte. Het toestel is schematisch weergegeven in Fig. 19.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 18
Fig. 19 Schema van een sondeerconus (A) en van de uitvoering van een diepsondering met een
sondeerwagen (B)
De sonde bestaat uit een kegelvormige conus met een tophoek van 60° en een diameter van 3.57 cm (het
boorgat heeft dus een doorsnede van exact 10 cm²). Met de boorwagen als tegengewicht wordt de conus
in de grond gedreven, waarbij de benodigde kracht wordt geregistreerd. Achter de conus zit een apart
beweegbaar deel van de mantel met een lengte van 13.3 cm (de manteloppervlakte is dus 150 cm²)
waarmee de plaatselijke kleef (cohesie) kan opgemeten worden. Bij de oudere toestellen gebeurt de
meting alle 20 cm, bij moderne toestellen gebeurt de meting continu, en worden de conusweerstand en de
kleef opgemeten met druksensoren. Bij sommige apparaten is het ook mogelijk de druk van het
grondwater op te meten. Een voorbeeld van een sondeerdiagramma is getoond in Fig. 20.
Fig. 20 Diepsondering tbv Academiezaal Sint-Truiden: conusweerstand in N/mm²; totale duwkracht in
kN.
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 19
Dergelijk sondeerdiagramma geeft dus onmiddellijk inzicht in de diepteligging van de draagkrachtige
lagen, en ook of deze lagen voldoende dik zijn om weerstand te kunnen bieden aan het doorponsen van
lange palen. Zo zijn bijvoorbeeld de pieken op 8 en 9 m diepte in het getoonde diagramma
hoogstwaarschijnlijk stenen of dunne lagen die doorboord werden door de sondeerconus. Slechts vanaf
een diepte van 18 à 19 m wordt een continu hoge sterkte gemeten.
Afhankelijk van de toegankelijkheid van het terrein kan de diepsondering manueel gebeuren, Fig. 21, met
een apparaat bevestigd op een kleine rupsbandtruck (“minirups”), Fig. 22, of gemonteerd in een zware
vrachtwagen, Fig. 23.
Manueel kan eventueel ook het slagsondeerapparaat [8] gebruikt worden. De sondeerdiepte met dit
slagapparaat is evenwel beperkt.
Uit de meetgegevens van de diepsondering kan het draagvermogen van een paal berekend worden.
Tevens kan uit deze gegevens bepaald worden wat de samendrukbaarheid van de grond is, en wat dus de
zetting van een fundering op staal zal zijn. Voor deze berekeningen wordt verwezen naar de
gespecialiseerde literatuur [5, 6].
Fig. 21 Manueel bediende apparatuur: afgestut tegen keldergewelf (Kasteel van Horst, 2002).
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 20
Fig. 22a Sondeerapparaat op kleine rupsbandtruck (“minirups”), capaciteit ongeveer 50 kN. De truck kan
met schroeven in de grond verankerd worden (Abdijsite Herkenrode, 2000).
Fig. 22b De kleine rupsbandtruck wordt met schroeven in de grond verankerd (plaats, jaar).
Fig. 23a Sondeerwagen 200 kN (Donjon Peisegem, 2002).
Kluwer –II.5.3. Degradatie van structuren – Afl. 54 21
Fig. 23b Sondeerapparaat en automatische registratie-apparatuur in de sondeerwagen.