Betonconstructies
Beton is een mengsel van cement, zand, kleine steentjes (granulaat) en water. Het begint als een dikke pap en wordt daarna hard als steen.
Twee soorten kracht zijn belangrijk. Druk is samendrukken. Trek is uitrekken. Beton kan druk heel goed aan. Trek kan het slecht aan: het houdt maar ongeveer een tiende zoveel rek uit als druk.
Daarom gebruiken we ongewapend beton (zonder staal) waar de last vooral samendrukt: funderingen, dikke muren, gewichtsdammen, kanaalbekleding, wegplaten op de boerderij op stevige grond en kleine stuwen.
Ongewapend beton scheurt als het buigt. Houd het dus dik en kort, nooit als een lange dunne balk.
Gewapend beton (RCC)
Als een balk doorbuigt, rekt de onderkant en wordt de bovenkant samengedrukt. We plaatsen staalstaven (wapeningsstaal) vlak bij de gerekte kant. Staal is sterk op trek. Het beton houdt de staven op hun plek, neemt een deel van de druk over en beschermt het staal tegen roest.
Waarom werkt dit? Beton grijpt de staaf vast, en beide zetten bijna evenveel uit en krimpen bijna evenveel bij warmte en kou. Zo werken ze als één geheel.
De staven hebben een laag beton eromheen nodig, de dekking. De dekking houdt water en lucht tegen, zodat de staven niet roesten. Een gebruikelijke dekking is ongeveer 2 tot 5 cm, meer bij watertanks.
Op een boerderij gebruikt men gewapend beton voor watertanks, silo's, bruggen, duikers, kanaalsluizen, valconstructies, stalvloeren en gebouwen met balken en vloeren.
Staalconstructies
Een staalconstructie is gebouwd uit gewalste stalen delen zoals hoekprofielen, U-profielen en I-balken, verbonden met bouten, klinknagels of lassen. Staal is sterk op druk en op trek.
Voordelen: het is sterk voor zijn gewicht, snel te bouwen, overspant grote afstanden en oude delen kunnen opnieuw worden gebruikt. Nadelen: het roest als het niet geverfd of verzinkt is, het verliest sterkte bij een felle brand en lange dunne delen kunnen knikken (zijwaarts doorbuigen) als je ze indrukt.
Een spant verbindt staven tot driehoeken. Een driehoek kan niet van vorm veranderen, dus het frame blijft stijf. Gebruik op de boerderij: frames van kassen en veestallen, graansilo's, watertorens, steunen voor sproeileidingen en hekken.
Kiezen tussen de drie
- Vooral druk, zwaar, lange levensduur: ongewapend beton.
- Buiging, waterdruk, sterk en duurzaam, later niet verplaatst: gewapend beton.
- Grote overspanning, laag gewicht, snelle klus, mogelijk verplaatst of uitgebreid: staal.
Denk ook aan de kosten, lokale materialen, de grond eronder en hoe lang het moet meegaan.
Probeer het zelf: de koekjestest
Neem een droog koekje. Druk het plat tussen je handpalmen: het is moeilijk te breken. Houd nu beide uiteinden vast en buig het: het breekt al bij een kleine buiging. Een koekje is net als beton: goed bij samendrukken, zwak bij buigen. Droog nu een plak klei met een dun stokje in de onderkant en buig die: hij houdt het langer vol. Het stokje speelt de rol van de staalstaven.
Belangrijke formules en begrippen
- Druk = samendrukken; Trek = uitrekken
- Ongewapend beton: sterk op druk, zwak op trek
- RCC = beton + staalstaven in de gerekte zone
- Dekking = betonlaag rond de staaf (beschermt tegen roest)
- Staal: sterk op beide; licht voor zijn sterkte; roest en knikt
Uitgewerkte voorbeelden
1. Een wegplaat op de boerderij ligt op stevige grond en draagt alleen een voertuig dat naar beneden drukt. Ongewapend beton of RCC?
De grond ondersteunt de plaat over de hele lengte, dus hij buigt nauwelijks. Ongewapend beton is genoeg voor licht verkeer. Er kan wat staalnet worden toegevoegd om scheuren te beperken.
2. Een brug over een kanaal is een balk op twee muren. Welke kant van de balk rekt, en waar komen de staven?
Een balk op twee steunpunten buigt naar beneden door. De onderkant rekt. Dus de hoofdstaven komen vlak bij de onderkant.
3. Een console (een balk die aan één kant vastzit en aan de andere kant vrij is) draagt een last. Waar komen de hoofdstaven?
Een console buigt zo dat de bovenkant rekt. Dus de hoofdstaven komen vlak bij de bovenkant, dicht bij het vaste uiteinde.
4. Een boer wil een schuur van 12 m breed zonder pilaren binnenin, snel gebouwd. Welke constructie?
Een stalen spantframe. Het is licht, overspant een grote afstand en is snel op te bouwen.
5. Een balk is 300 mm breed en heeft aan elke kant 40 mm dekking nodig. Hoe breed is de ruimte tussen de dekkingen?
300 - 40 - 40 = 220 mm.
6. Ongewapend beton kan 3 N per mm2 rek aan voordat het scheurt. De onderkant van een balk wordt met 5 N per mm2 gerekt. Scheurt het? Wat lost het op?
5 is meer dan 3, dus het scheurt. Staalstaven nemen de rek over, zodat het beton dat niet meer hoeft te doen.
Veelgemaakte fouten
- Denken dat beton in alles sterk is. Het is alleen sterk op druk.
- De staven in het midden of bovenin leggen bij een balk op twee steunpunten. Ze horen vlak bij de gerekte onderkant.
- Te weinig dekking gebruiken, zodat het staal roest en het beton barst.
- Geloven dat staal nooit faalt. Dun staal knikt, roest en verliest sterkte bij brand.