Bijlage B - Metselwerk

Zowel ondergronds als bovengronds vervult het metselwerk enkele belangrijke functies, deels wettelijk vastgelegd via voorschriften in het Bouwbesluit:

A. Dragende functie: De meeste panden zijn in beuken onderverdeeld, waardoor onderscheid is te maken tussen de relatief dikke woningscheidende muren, met hogere belasting per strekkende meter, en de wat dunnere tussenmuren, met een lagere belasting. De zwaardere muren dragen zowel de vloeren als de kap, de wat lichtere tussenmuren vaak alleen de vloeren. De onderliggende fundering is afgestemd op het verschil in muurdikte en belasting. De voor- en achtergevels hebben in het algemeen geen dragende functie, behalve voor onderdelen als balkons, serres, erkers, etc. De dragende functie kan in het geding komen door o.a.:

B. Scheidende functie: de gemetselde muren en gevels vormen de fysieke scheiding tussen panden onderling en tussen panden en het buitenklimaat. De muren zorgen daarbij voor o.a. brandscheiding, rookdichtheid, thermische en akoestische scheiding, wind- en waterdichtheid en dichtheid tegen ongedierte. Het niet goed kunnen vervullen van deze functies kan een rol spelen bij het funderingsherstel of bij het daaraan gekoppelde cascoherstel. De aan het metselwerk opgelegde vervormingen kunnen leiden tot klemmende kozijnen en zelfs het breken van beglazing in deze kozijnen. Het niet voldoen aan de wettelijke eisen kan in sommige gevallen voor bouw- en woningtoezicht reden zijn om handhavend op te treden.

C. Esthetische functie: Scheuren in het metselwerk vormen bij funderingsproblemen vaak een eerste signaal van het optreden van ongelijkmatige zettingen. Deze scheurvorming, die met name in de voor- en achtergevels als esthetisch onwenselijk wordt beschouwd, heeft invloed heeft op het woongenot en de waarde van een pand. Dit kan een rol spelen bij het funderingsherstel of in het daaraan gekoppelde cascoherstel.

Zowel de gebruikte baksteen als de gebruikte mortel zijn per bouwplan van sterk wisselende kwaliteit en samenstelling.

Baksteen: Baksteen werd voor 1900 veelal in één van de vele regionale steenovens geproduceerd uit ter plaatse uit de rivier gewonnen klei of slib. Uiterlijk en sterkte van de baksteen zijn afhankelijk van de samenstelling van de plaatselijk aanwezige klei, van het droog- en bakproces en met name van de bij het bakken bereikte temperatuur. Hierdoor was de stenenkwaliteit eigenlijk verschillend per individuele oven. De gebruikte metselformaten verschilden eveneens per streek. Vanaf de invoering van de Woningwet in 1901 werden eisen gesteld aan minimale muurdiktes van buitengevels.

De veel voorkomende muurdikten van 200 tot 220 mm vinden hun oorsprong in deze wet. Vanaf 1901 vindt de baksteenproductie geleidelijk steeds meer plaats in grotere regionale steenfabrieken, met gemoderniseerde ovens. De kwaliteit werd hierdoor constanter. Dit proces van schaalvergroting heeft zich echter verspreid over de gehele 20e eeuw afgespeeld, zodat gesteld kan worden dat voor de oudere panden -waarbij zich veelal de funderingsproblemen voordoen- op voorhand geen stellige uitspraak kan worden gedaan over de sterkte van de gebruikte baksteen. Een benadering is wel mogelijk: omdat het fysische bakproces en de gebruikte grondstof tegenwoordig niet wezenlijk anders zijn dan vroeger, kan worden gesteld dat bij benadering de druksterkte van de baksteen ook voor oud metselwerk zal kunnen variëren volgens de bovenste waarden als genoemd in tabel NB-1 (NEN-EN 1996-3). De genormaliseerde gemiddelde druksterkte fb (bepaald volgens NEN-EN 772-2) varieert tegenwoordig van 5 tot 30 N/mm². Voor oud metselwerk kan veiligheidshalve worden uitgegaan van de bovenste waarden in de tabel, oplopend van 5 tot 15 N/mm². Een eenvoudige methode voor het plaatselijk niet-destructief beproeven is het gebruik van een Schmidt-hamer. Deze is na de juiste kalibratie ook bruikbaar voor baksteen en mortel. Hierover zijn enkele wetenschappelijke artikelen verschenen. Omdat er vaak een samenhang bestaat tussen enerzijds de algehele bouwkundige kwaliteit van het pand, zoals deze blijkt uit bijvoorbeeld ornamenten, detaillering en gebruikte houtsoorten en anderzijds de kwaliteit en prijs van de toegepaste baksteen, kan uit de algehele bouwkundige kwaliteit wel een eerste indruk van de kwaliteit van de baksteen worden verkregen.

Mortel: Woonhuizen van vóór 1900, zijn gemetseld, gevoegd en gepleisterd met kalkmortel. Dit is een mortel waarin kalk het bindmiddel is en zand het toeslagmiddel. Bij cementmortel is cement het bindmiddel. Cementmortel deed zijn intrede na 1900, maar ook na 1900 werden kalkmortel en gemengde mortel (zgn. bastaardmortels) nog veelvuldig gebruikt. Het verdient aanbeveling om bij de inschatting van de sterkte van het metselwerk daarom veiligheidshalve de linkerkolom “M5” uit tabel NB-1 te gebruiken.

Metselwerk: Hiermee komt de representatieve waarde van de metselwerkdruksterkte f'_rep uit tussen 2,5 en 5 N/mm². Dit mag worden beschouwd als een conservatieve range, waaraan in de praktijk nagenoeg altijd voldaan zal worden. Volgens de Eurocode dienen deze representatieve waarden nog door een materiaalfactor γ_m = 2,2 te worden gedeeld, zodat de conservatieve rekenwaarde voor de metselwerkdruksterkte f '_d, ingeschat zonder verder onderzoek, uitkomt tussen globaal 1,0 en 2,5 N/mm².

Getalswaarden uit metselwerknormen

Karakteristieke waarde van de druksterkte van metselwerk
Zie NEN-EN 771-1 t/m -4; in de vereenvoudigde methode (NEN-EN 1996-3) worden in tabel NB1 de oude waarden uit tabel 12 van de NPR 6791 gegeven:

Buigtreksterkte:

NEN-EN 1996-3:2006/NB:2010 Ontw.

Opmerking:
In NEN-EN 1996-2 zijn voor het verkrijgen van voldoende duurzame sterkte minimale eisen gesteld aan de buigtreksterkte van metselwerk. Met name bij toepassing van lijmmortels bij groep-1-stenen zijn hogere waarden mogelijk. Het is dan noodzakelijk deze hogere waarden in een bestek als prestatie-eis voor te schrijven. De hogere waarden in tabel NB-2 voor lijmmortel bij aanvullende specificatie, die in het bestek moeten zijn voorgeschreven, zijn gebaseerd op de waarde voor f_xk1,s gelijk aan 0,6 N/mm².

Initiële schuifsterkte:

D.3 Karakteristieke initiële schuifsterkte
De waarden van f_vko,s in N/mm², zijn afgeleid uit 3.6.2 van NEN-EN 1996-1-1 en uit de minimale eisen voor de hechtsterkte volgens tabel NB-1 van NEN-EN 1996-2/NB en zijn gegeven in tabel NB-3.

E-modulus (uit CUR-Aanbeveling 82)

4.6 Stijfheid van metselwerk
Voor de stijfheid van baksteen en kalkzandsteen metselwerk loodrecht op de lintvoeg kan als veilige bovengrens art. 9.4.1 van NEN 6790:1997 worden aangehouden:
E? = 1000 f '_rep
Voor metselwerk van grindbetonstenen moet loodrecht op de lintvoeg een 40 à 50% grotere waarde worden aangehouden dan volgens art. 9.4.1 van NEN 6790:1997.

In afwijking van art. 9.4.1. van NEN 6790:1997 kan evenwijdig aan de lintvoeg voor metselwerk met metselmortel worden aangehouden:
E_II = 1,3 · E?
en voor metselwerk met lijmmortel:
E_II = E?

Bij het constructief ontwerp van het funderingsherstel is een gangbare procedure:

Een indicatie van de paalbelasting voor veel voorkomende situaties kan als volgt worden verkregen.

Voor laagbouw (bgg, 1e verd, zolder met schuin pannendak):
bouwmuur q_d ≈ 75 à 100 kN/m

Voor middelhoogbouw (bgg, 1e verd, 2e verd, 3e verd, zolder met schuin pannendak):
bouwmuur q_d ≈ 100 à 150 kN/m

Bij woonhuizen bestaande uit twee beuken, zoals deze veel voorkomen, is de belasting ter plaatse van de bouwmuur hoger dan bij de tussenmuur i.v.m. de grotere muurdikte en het feit dat de kap in het algemeen alleen op de bouwmuren draagt.

Voor het inschatten van de veerstijfheid van de bestaande houten palen kan gebruik worden gemaakt van de vuistregel dat de zakking van de paalkop lineair evenredig is met de paalbelasting tot aan de veronderstelde bezwijkgrens, waarna de paalkop plastisch reageert (d.w.z. reactiekracht uit paal is gelijk aan maximale draagkracht). Als veerconstante wordt in de praktijk veelal uitgegaan van een zakking van 1 à 2 cm per 100 kN (rekenwaarde), dus k = 100 / 0,01 à 100 / 0,02= 5.000 à 10.000 kN/m. Voor nieuw te plaatsen palen kan de geotechnisch adviseur een inschatting geven van de veerconstante.

Direct boven de paalkop van een Rotterdamse paalfundering zal de verticale spanningscomponent σd in het metselwerk bij benadering gelijk zijn aan:

waarin:
σ_d is de rekenwaarde van de optredende spanning in N/mm²;
F_d is de rekenwaarde van de paalbelasting in N;
A_paalkop is gelijk aan 0,25 π x D_paalkop² in mm²;

waarbij spreiding door het langshout veiligheidshalve niet is meegenomen. Deze spanning ligt in de range tussen σ_d = 1,3 tot 4,8 N/mm², zie onderstaande tabel. De grijs gearceerde getallen zullen minder vaak voorkomen, omdat daar paaldiameter en paalbelasting in een ongebruikelijke verhouding tot elkaar staan.

Indien de druksterkte van het metselwerk niet via proeven bepaald is, kan uit de Nationale Bijlage¹⁾11 Nationale bijlage bij NEN-EN 1996-3-Eurocode 6: Ontwerp en berekening van constructies van metselwerk – Deel 3: Vereenvoudigde berekeningsmethoden voor constructies van ongewapend metselwerk. van Eurocode 6 een eerste indruk van de sterkte van hedendaags metselwerk worden verkregen.²⁾12 Deze tabel verschilt op dit punt niet van die in de oude NEN 6791. Voor de karakteristieke waarde van de druksterkte f_k;s wordt daar in tabel 12 (NB-1) een minimale waarde gegeven van 2,55 N/mm² voor baksteen en metselmortel met een zeer lage druksterkte. Het langshout (veelal gezaagd grenen) zal in de richting loodrecht op de vezel een druksterkte hebben die niet veel hoger ligt dan 4,5 N/mm². Dit heeft te maken met de lastspreiding die verdisconteerd zit in de houtspanning. Het is afgeleid uit belasting versus oppervlak waardoor een zogenaamde fictieve druksterkte van 4,5 N/mm² kan worden gehanteerd bij funderingen op palen, zie 3.1.3 van [2].

Het is voor funderingsmetselwerk uit de periode 1900 - 1950 dan ook niet vanzelfsprekend dat de in tabel B-1 berekende drukspanningen door het metselwerk en het langshout kunnen worden opgenomen, zelfs indien in aanmerking wordt genomen dat door de rekenwaarde van de belasting en karakteristieke waarden van de materiaalsterkte nog wel enige afstand ligt tussen werkelijke belasting en werkelijke bezwijkgrens. Dit verklaart waarom langshout en soms zelfs ook het metselwerk direct boven de paal worden doorponst (zie figuur B-2). Deze situatie doet zich met name voor indien het langshout in de loop der jaren is komen droog te staan en hierdoor zijn belastingspreidende functie niet meer kan vervullen. Aanbevolen wordt voor herstelplannen deze contactspanning bij benadering te berekenen bij het in beeld brengen van de bestaande situatie. In sommige situaties is (een deel van) de aanwezige schade te verklaren door dit fenomeen. Indien deze spanningen relatief hoog zijn, is er reden om aan te namen dat tijdens de uitvoering vervolgens ook een groter gevaar bestaat op trillingsschade, bijvoorbeeld tijdens ontgraven of inbrengen van inwendig geheide stalen buispalen.

Rekenvoorbeeld: bij een rekenwaarde van de belasting q_d = 100 kN/m, een h.o.h.-afstand van de palen L = 1,50 m en een peilmaat van de boog f = 0,75 m bedraagt de drukkracht in de boog:

N_d = M_d / f = 1/8 qdL2 / f = 28 kNm / 0,75 m ≈ 37 kN

De rekenwaarde van de drukspanning in de in afbeelding B3 met h aangegeven drukboog bedraagt dan, bij metselwerk met een dikte van 220 mm en de aanname dat ook h ongeveer 220 mm bedraagt (gevolgklasse CC2, metselwerk categorie II, dus γ_m = 2,2):

σ_d = N_d / A_drukboog = 37 x 10³ / (220 x 220) = 0,76 N/mm²

f_k;s;d = f_k;s / γ_m = 2,55 / 2,2 = 1,15 N/mm²

u.c. = σ_d / f_k;s;d = 0,66 < 1,0

Knik wordt niet waarschijnlijk geacht in verband met de zijdelingse steun van de bodem en de bovenliggende muur.

Bij ongelijkmatige zakking van het metselwerk in de woningscheidende muur treedt op den duur scheurvorming op. Een veel voorkomende situatie is die waarbij het metselwerk van de voorgevel samen met de voorste meters van de woningscheidende muur meer en/of sneller verzakken dan de verder naar achter gelegen delen van de woningscheidende muur en de achtergevel, zie figuur B-4. Dit kan bijvoorbeeld het gevolg zijn van droogstand van het funderingshout aan de voorzijde van het pand.

Voor de herstelfase dient op twee manieren rekening te worden gehouden met deze scheuren:

Voor de benodigde vervormingen voordat dergelijke scheuren optreden wordt verwezen naar zie hoofdstuk A4600 SBR Funderingen [4], waarin ook een schematisch overzicht van de relatie tussen mogelijke vorm van scheuren en de vermoedelijke oorzaak is gegeven.

Rekenen aan scheurvorming is vrij complex, omdat de spanningsverdeling in een door ongelijkmatig zakkende palen ondersteunde muur niet goed met handberekeningen is te benaderen. Zelfs met de meeste eindige-elementen programma’s is het materiaalgedrag van een dergelijke muur niet goed te benaderen, daar ook het gedrag na het optreden van scheurvorming eigenlijk moet worden meegenomen. Vaak wordt bij “gewone” funderingsherstelprojecten vrij pragmatisch omgegaan met deze materie: het budget laat uitgebreid rekenwerk niet toe. Nadere informatie over scheurcriteria en berekeningsmethodieken is gegeven in TU Delft publicatie [13].

De volgende toetsingen dienen te worden uitgevoerd:

nokken – controle oplegspanning metselwerk (centrisch)

waarin:
F_d is de belasting per nok in kN;
q_d is de rekenwaarde van de belasting uit de bouwmuur in kN/m = N/mm;
a is de afstand tussen nokken (dagmaat) in mm;
b is de breedte van de nok in mm;
d is de muurdikte in mm;
σ_d is de oplegspanning in N/mm²;
f’_k;s;d is de rekenwaarde van de druksterkte van het metselwerk in N/mm².

Inkassingen en sleuven – controle oplegspanning metselwerk (excentrisch)
Wanneer de belasting uit de muur excentrisch aangrijpt ten opzichte van het hart van de inkassing of sleuf bestaat - eerder dan bij centrische belasting - de mogelijkheid dat door doorbuiging van de vloer de metselwerkspanning aan één zijde van de inkassing hoger is dan aan de andere zijde, zie figuur B6. Aangeraden wordt altijd beugels in de inkassing aan te brengen.

Het wordt aan de inschatting van de constructeur overgelaten om te bezien welke spanningsverdeling aannemelijk is. Dit hangt af van de te verwachten vervorming van de constructie, de kwaliteit van het metselwerk en de mate waarin verwacht wordt dat een goede aansluiting tussen metselwerk en beton kan worden gerealiseerd.

F_d= q_d(a+b) (alleen bij inkassingen)

waarin:
c is de diepte van de inkassing of sleuf in mm;
c* is de maat van het gewapende deel van de inkassing of sleuf in mm;
σ_d;1 is de oplegspanning in N/mm² volgens plastische spanningsverdeling;
σ_d;2 is de oplegspanning in N/mm² volgens lineair elastische spanningsverdeling

nokken en inkassingen – controle boogwerking metselwerk tussen nokken

waarin:
f is de zelf te kiezen peilmaat van de boog die zich ook redelijkerwijs kan vormen (zie afbeelding B6) in mm.

controle sterkte van beton en wapening
De toetsing van beton en wapening moet geschieden volgens de vigerende regelgeving.

controle metselwerk bij vastgegroute palen
Bij het vastgrouten van een stalen buis (paal of mantelbuis) met diameter D_uitw zal de gemiddelde schuifspanning langs de schacht gelijk zijn aan:

met

waarin:
Fd is de perskracht of uiteindelijke rekenwaarde van de paalbelasting in N;
O is de uitwendige omtrek van de stalen buis in mm;
L is de lengte waarover overdracht mogelijk is in mm.

De maximale schuifspanning dient te voldoen aan de volgende eis:

Voor de waarde van f_v;grout;d dient te worden uitgegaan van een uit beproeving vastgestelde waarde. Qua orde grootte zal deze rekenwaarde van de maximale opneembare schuifspanning f_v;grout;d gewoonlijk liggen tussen 0,01 en 0,05 N/mm². Indien de belasting alleen tijdens het inbrengen van de paal aanwezig is, kan worden gerekend met lagere belastingfactoren in verband met de tijdelijke situatie (bouwfase). Indien de belasting de definitieve rekenwaarde van de paalbelasting betreft, dient met de gebruikelijke belastingfactoren te worden gerekend.