De draagkracht, ook wel draagvermogen genoemd, is in de bouwwereld de mate waarin de ondergrond een constructie kan ondersteunen. In dat verband spreekt men bij funderingen ook wel over draagkracht. Bij bouw- en kunstwerken is voldoende draagkracht cruciaal. Indien zich in de ondergrond een grondlaag bevindt die voldoende ondersteuning biedt, wordt wel gesproken van de draagkrachtige laag of vaste grondslag. Het tegenovergestelde hiervan is een samendrukbare laag.
Grondonderzoek en Bodemverbetering
Met grondonderzoek, zoals sonderingen (ook wel Cone Penetration Tests genoemd), kan vooraf inzicht worden verkregen in de samenstelling van de ondergrond, de diepte en dikte van de draagkrachtige lagen, en de grondwaterstand. Grondverbetering kan een oplossing zijn om de draagkracht van de ondergrond te laten toenemen.
Een grondsoort met slecht draagvermogen is veen. Ondergrond die voldoende draagkracht zou kunnen bieden zijn vastgepakt zand, sterk samengedrukte kleilagen en rotsbodem.
Funderingsconstructies
Bij problemen met de stabiliteit en/of stevigheid in de ondergrond kan een fundering worden aangebracht tussen de draagkrachtige laag en de bovenliggende constructie. Op haar beurt dient ook de fundering voldoende draagkracht te hebben.
In de nieuwe wegenbouwcontracten worden steeds vaker eisen gesteld aan de stijfheid van alle constructielagen, niet alleen na openstelling van de weg, maar ook tijdens de uitvoering. Door al in de bouwfase de stijfheid van fundering, zandbed en ondergrond te meten en te analyseren kan in een vroeg stadium worden getoetst of de constructie in wording aan de ontwerpuitgangspunten zal voldoen.
Informatie over de draagkracht van fundering en/of zandbed is van cruciaal belang voordat het asfalt wordt aangebracht. Voor zowel opdrachtgevers als opdrachtnemers en ontwerpers is het wenselijk om inzicht te krijgen hoeveel de stijfheid en dus de draagkracht van een wegfundering, zandbed en ondergrond wijzigt bij het gereedkomen van elke bouwfase. De praktijk wijst uit dat de stijfheid van deze lagen en materialen geen constante is. Met elke extra constructielaag neemt het gewicht op de fundering en zandbed toe en daarmee ook de gemeten stijfheid.
Vergelijking van gedrag van een fundering en zandbed in een laboratoriumopstelling en in het veld kan alleen betrouwbaar plaatsvinden als materiaalsamenstelling, korrelgrootte, vochtgehalte en verdichtingsgraad in beide situaties nagenoeg gelijk zijn. Kiwa KOAC heeft een testbak van 1 m² en 0,5 m hoog gebouwd om de stijfheid van allerlei soorten (grof)granulaire materialen in het laboratorium te kunnen bepalen. Kiwa KOAC heeft op basis van jarenlange ervaring voor diverse materialen richtwaarden opgesteld die kunnen worden gebruikt voor de afnamecontrole van de draagkracht van fundering en onderliggende lagen.
Sonderingen: Inzicht in de Bodem
Sonderingen, of ’Cone Penetration Tests’, stellen ons in staat om de gelaagdheid en de draagkracht van de bodem te bepalen. De eerste stap bij het uitvoeren van een sondering is het plaatsen van de ’conus’. Deze kegelvormige punt zit op een staaf. Tijdens het sonderen drukt de uitvoerder de conus met gelijkmatige snelheid de grond in. Zo kan hij bij toenemende diepte de punt- of conusweerstand meten. Dat is de kracht die nodig is om de conus de grond in te drukken, ofwel: de mate van weerstand die de bodem daartegen biedt. Daarmee ontstaat een eerste indruk van de verschillende laagovergangen en de vastheid van de ondergrond.
Vaak gebeurt het bepalen van de conusweerstand in combinatie met het meten van de plaatselijke kleefweerstand. Dit is de weerstand door adhesie tussen de grond en de ’mantelconus’ die boven de conus is geplaatst. Uit deze meetgegevens kunnen we een nauwkeurig beeld van de opbouw van de ondergrond afleiden.
De gemeten conusweerstand en plaatselijke kleefweerstand maken het mogelijk het wrijvingsgetal te berekenen. Samen met de conusweerstand geeft dit getal een goed beeld van de lithologische opbouw van de ondergrond. Vervolgens kunnen we ons op basis van waterspanningsmetingen een nauwkeurig beeld vormen van de goed- en slecht-waterdoorlatende lagen.
Manier van Aanbrengen van Palen
Bij de bepaling van de draagkracht van de paalfundering speelt de manier van aanbrengen een grote rol. Onderscheid wordt gemaakt tussen grond verdringende palen, zoals de geheide paal, en de typen die met volledige of partiële grondverwijdering worden geïnstalleerd. Bij het laatste type zal de ontwikkeling van het draagvermogen met aanzienlijk grotere zakkingen gepaard gaan. In het ontwerp moet met deze extra zettingen dan rekening worden gehouden of moeten de belastingen beperkt worden.
Opbouw van het Draagvermogen van Palen
Voor de draagkracht van de paal levert met name in het westen van het land de paalpunt, dat is de onderste volle doorsnede van de paalvoet, het grootste aandeel. Niettemin kan ook de schachtwrijving aanzienlijk bijdragen aan het draagvermogen. De opbouw van de grond speelt daarbij een belangrijke rol. In zandige lagen kan een kleine verplaatsing van de paal (enkele millimeters) al leiden tot een maximale schachtwrijving.
Positieve Kleef
Resulteert de schachtwrijving in opwaarts gerichte krachten, dan wordt gesproken van een positieve kleef. Die opwaarts gerichte krachten kunnen (bijvoorbeeld in relatief dikke lagen van fijn zand) zo groot zijn dat het puntdraagvermogen van de paal geen rol meer speelt. In dergelijke gevallen spreekt men van ‘op de kleef’ geheide palen in tegenstelling tot wat gangbaarder is: de ‘op stuit’ geheide paal. In het algemeen bepalen de puntweerstand en de positieve kleef tezamen het totale nuttige paaldraagvermogen.
Negatieve Kleef
Bij sommige bodemsamenstellingen kan de schachtwrijving ook resulteren in neerwaarts gerichte krachten ten ongunste van het nuttige draagvermogen. Men spreekt dan over ‘negatieve kleef’. De positieve kleef over het resterende deel van de schacht kan dan de negatieve kleef geheel of gedeeltelijk compenseren.
Het eerste plaatje (links) laat de op de stuit geheide paal zien. Het plaatje ernaast toont het draagvermogen gebaseerd op paaldraagvermogen en positieve kleef. De illustratie linksonder toont de op de kleef geheide paal. De illustratie rechts laat de krachtenwerking zien bij zowel positieve als negatieve kleef.
Paalzakking bij Belasting op Druk
Bij op druk belaste palen zal zakking optreden. Daarbij kan het gaan om de zakking van een enkele paal dan wel van een paalgroep waarbij dan nog zakkingsverschillen tussen palen onderling kunnen optreden. Oorzaken van zakking kunnen zijn: samendrukking van slappe lagen onder het paalniveau en verkorting van de paal door de belasting. Verticale verplaatsingen worden als regel vastgesteld met behulp van voor de betreffende paal of palen geldende last-zakkingsdiagrammen. Deze krommen zijn vastgesteld aan de hand van eerder uitgevoerde proefbelastingen.
Proefbelastingen
Zouden die empirisch vastgestelde last-zakkingsdiagrammen niet voorhanden zijn, dan kunnen proefbelastingen nodig zijn om het verband tussen de belasting en de paalkopverplaatsing te bepalen.
Evenwichtsdraagvermogen
Met behulp van de benadering zoals in de jaren veertig door ir. Koppejan ontwikkeld, wordt het evenwichtsdraagvermogen van de paalpunt vastgesteld. De gedachte hierachter is dat zich bij bezwijken een logaritmische spiraal vanuit de paalpunt ontwikkelt. Volgens deze benadering wordt het gewogen gemiddelde vastgesteld over een diepte van 0,7 D - 4 D onder de paalpunt en 8 D boven de paalpunt, waarbij D de (equivalente) diameter van de paalpunt is. Daarnaast spelen nog een rol de vorm van de paalpunt en bij een paal met een verzwaarde voet eventueel de verhouding tussen de diameter van de voet en die van de paalschacht. Voor de geheide, gladde, vierkante prefab betonpalen geldt dat de paalklassefactor, de paalvoetvormfactor en de vorm van de dwarsdoorsnede van de paalvoet alle de waarde 1 hebben. Als de paal niet heiend ingebracht wordt, kan een afwijkende manier van inbrengen van invloed zijn op het puntdraagvermogen.
De Positieve Kleef (Verder Uitgewerkt)
De positieve kleef langs de omtrek van de paalschacht wordt over het algemeen gebaseerd op een bepaald percentage van de sondeerwaarde (as-waarde). Bij palen die met grondverdringing ingebracht worden, is dit percentage aanmerkelijk hoger dan voor palen zonder grondverdringing (avegaarpalen, boorpalen). Voor gladde prefab-betonpalen is het percentage in zand en grindhoudend zand 1,0.
De Negatieve Kleef (Verder Uitgewerkt)
Negatieve kleef ontstaat wanneer de grondlagen een neerwaartse beweging ondergaan langs de paalschacht. Oorzaak kan de samendrukking van klei- en veenlagen zijn onder invloed van een belastingsverhoging op het maaiveld of een verlaging van de grondwaterstand met als gevolg een verhoging van de korrelspanning. Die verlaging kan zowel met het polderpeil als met de stijghoogte van het grondwater in het diepe zand te maken hebben. Uit terreinmetingen is gebleken dat de negatieve kleef een aanzienlijke bijdrage kan leveren aan de totale belasting op de paal.
Zwelling en Opheien
Bij ontgraving, bijvoorbeeld bij een bouwput, kan ontspanning van de grond optreden. Het resultaat wordt zwelling genoemd: de grond krijgt een groter volume dan voorheen het geval was. Voor het heien hoeft zwelling niet van invloed te zijn omdat de toestand van de grond al is gestabiliseerd voor er met het heien wordt begonnen. Getaxeerd dan wel gemeten moet worden hoe het verloop is van de opwaartse beweging van de grondslag met de diepte in relatie tot de paalverplaatsing. Het onderste verankerende deel van de paal moet dan meer weerstand kunnen bieden dan het bovenste.
Paalkopverplaatsing
De verplaatsing van de paalkop onder invloed van een belasting bestaat uit drie componenten:
- De samendrukking van de onder de paalpunt gelegen lagen.
- De zakking van de paalkop door de verdringing van de grondslag rondom de paalpunt.
- De samendrukking van de paalschacht.
De eerste component wordt benaderd met behulp van een zettingsberekening onder aanname van de relevante samendrukkingsconstanten.
Tweede Component (Verdere Uitleg)
De tweede component wordt beïnvloed door de puntweerstand en de positieve mantelwrijving. De mantelwrijving ontwikkelt zich bij relatief kleine vervormingen (10 mm), de vervorming bij de paalpunt is afhankelijk van de afmetingen van de paalpunt. Dat betekent dat de vervorming voor een bepaald percentage van de grenspuntweerstand meestal groter is dan die voor een zelfde percentage van de mantelwrijving. Resumerend moet bij een bepaalde vervorming de som van de daarbij ontwikkelde puntweerstand en kleef gelijk zijn aan de totale opgelegde belasting. In het algemeen betekent dit dat de veiligheidscoëfficiënt voor de kleef kleiner is dan die voor de totale belasting die voor de punt is groter.
De Rijzing van Palen, Belast op Trek
Vooral bij palen die wisselend belast zijn op trek- en drukkrachten - de fundering van hoogspanningsmasten is een goed voorbeeld - kan de verplaatsing (in dit geval de rijzing) sterk toenemen als gevolg van een achteruitgang van de maximale schuifweerstand tussen paalschacht en grond. Bij grote onzekerheid kunnen alleen proefbelastingen uitsluitsel bieden. Een vermindering van de effectieve spanning in onderliggende grondlagen kan tot zwelling leiden met als gevolg dat palen als het ware op trek worden belast.
Groepswerking
Vorenstaande beschouwingen betroffen steeds de individuele paal. De meeste genoemde effecten worden beïnvloed als de palen niet alleen staan maar in een groep. De vraag rijst wat gedefinieerd moet worden als een groep. Dat hangt af van het beschouwde aspect.
Belasting
Men kan in feite niet spreken van dé belasting. Vrijwel altijd is sprake van verschillende soorten belastingen, belastingsgevallen en -configuraties. Laatstgenoemde betreffen het samenspel van vrije belastingen en hun aangrijpingspunten, bijvoorbeeld naar aanleiding van invloedslijnen en/of -vlakken. In berekeningen wordt dus terdege rekening gehouden met wat belastingsgevallen worden genoemd, zoals wind of eigen gewicht van de bouwconstructie. Van belang is voorts de zogeheten vrije belasting die vrij, dus willekeurig, kan worden verdeeld over de bouwconstructie.
Horizontale Belasting
Horizontale belastingen op palen kunnen afkomstig zijn uit de bovenbouw of uit de grondslag, bijvoorbeeld door eenzijdige ophogingen of nuttige belastingen. In het eerste geval kunnen de palen onder een helling aangebracht worden, waardoor het grootste deel van de horizontale belasting axiaal afgevoerd wordt. Bewust wordt hier gesproken van ‘het grootste deel’. Analyse van vervormingen blijkt namelijk dat bij een geringe schoorstand van de palen, bijvoorbeeld 10:1 of 20:1, toch een aanzienlijk deel van de horizontale belasting in buiging door de paal opgenomen wordt. Overigens worden ook regelmatig palen in een poer onder een geringe helling geplaatst om de afmetingen van de poer te beperken. Schoorhellingen tot 3:1 zijn wel mogelijk, maar vragen speciaal aangepaste hei-apparatuur. Voor trekpalen van kademuren zijn zelfs palen onder een helling van 1:1 weggeheid.
Wat is het verschil tussen bruto en netto?
Praktijkvoorbeeld: Garage/Carport Fundering
Een bewoner uit Benthuizen, Mark, wil een fundering storten voor een garage/carport van 5,90x3,30x0,18m. Hij heeft een sonderingsrapport van de straat bij hem achter (straal van 15m) en vraagt zich af hoe de grafiek werkt. Hij begrijpt dat op 4 meter diepte weerstand is, maar dat het beste draagvermogen pas op ca. 12 à 13 meter te zitten lijkt. Het rapport is al wat ouder, en hij vraagt zich af of een nieuwe meting nodig is om onnodige kosten te voorkomen.
Een reactie suggereert dat het gebied in Benthuizen in basis een moeras is, en dat ook de carport diep gefundeerd moet worden. Er wordt aangeraden om het DINO loket te bekijken, aangezien de woning waarschijnlijk op palen staat. Een geotechnisch ingenieur wordt geadviseerd, omdat een constructeur hier basis gezien te weinig kennis van heeft. Er wordt op gewezen dat de woning zakt (circa 1,5 mm/jaar volgens de bodemdalingskaart van Nederland), wat betekent dat de carport zal zakken als deze op een betonplaat wordt gezet, nog los van de initiële daling van de betonplaat op de slechte ondergrond.
Mark overweegt een carport op betonpoeren met een goed zandbed en betontegels, maar wordt geadviseerd dat dit wellicht onnodige kosten met zich meebrengt. Het aantal palen wordt bepaald door een constructeur. Hij wordt ook geadviseerd om een adviseur geotechniek te zoeken.
Mark heeft na enig zoekwerk bij de gemeente documenten gevonden van zijn woning en de garageboxen erachter. Op de tekening ziet hij maar 4 palen, maar de cijfers zijn onduidelijk. Een hei partij sprak over mogelijke knik in de betonplaat. Hij merkt op dat de garageboxen al sinds de jaren '60 op 4 palen staan en zijn constructie een carport is, dus minder belastend.
Er wordt uitgelegd dat wapening geheel omgeven moet zijn door beton en niet aan stalen buispalen kan worden vastgemaakt. De belasting op de paalkoppen kan worden opgevangen met een "paddestoel" onder de vloer.
Algemene Definitie en Belang van Draagkracht
De draagkracht van de bodem is het vermogen om fysische belasting oftewel gewicht te dragen. De draagkracht bepaalt de stabiliteit van de bodem en daarmee het effect van fysische belasting op de bodem. Bodems met een lage draagkracht zullen eerder te maken krijgen met verzakkingen of inklinking. De draagkracht is afhankelijk van het type bodem en grondwaterstand. Hoe meer klei en veen de ondergrond bevat en hoe hoger de grondwaterstand, hoe slechter de draagkracht van de bodem.
Bouwen op een draagkrachtige bodem brengt minder kosten met zich mee dan bouwen op een minder draagkrachtige bodem. In een bodem met een lagere draagkracht zijn namelijk kostbaardere funderingen of andere voorzieningen nodig.
Het meenemen van de draagkracht van de bodem in ruimtelijke plannen kan onnodige kosten voorkomen. Ook kunnen overheden in de plannen rekening houden met het effect van klimaatverandering op de draagkracht. De verwachting is dat door klimaatverandering meer periodes zullen zijn met extreme neerslag, waarbij de grondwaterstand zal stijgen. Dit verlaagt de draagkracht van de bodem. Het is noodzakelijk om de grondwaterstand te handhaven met duurzaam waterbeheer.
Een te lage draagkracht van de bodem kan leiden tot verzakkingen en inklinken van de bodem. Dit kan schade veroorzaken aan infrastructuur en gebouwen en kan daardoor hoge kosten met zich meebrengen. Vernatting door klimaatverandering kan daarnaast leiden tot verminderde draagkracht.
tags: #draagkracht #grond #fundering