Evenwicht van een houtskeletwand

Hoe kan een ingenieur eigenlijk weten wanneer een gebouw veilig genoeg is? Heb je even vier à vijf jaar? Want zo lang duurt het minstens om het aan iemand uit te leggen, zodat die persoon de basis begrijpt en ernaar kan handelen. Niettemin vind ik het nodig en nuttig om zo transparant mogelijk te zijn over deze zaken. De veiligheid van het gebouwenpark is immers een maatschappelijk vraagstuk en voorwerp van publiek debat. En een geïnformeerd publiek neemt daarover betere beslissingen.

Eén van de elementaire taken van de ingenieur is het sluitend beschrijven van het evenwicht van een dragend gebouwelement. Daarmee wordt bedoeld dat de bewegingen en vervormingen van het gebouwelement tot zeer kleine waarden beperkt moeten blijven, rekening houdend met de redelijk te verwachten invloeden die erop kunnen inwerken.

Ook de stijl van een houtskeletwand behoort weerstand te bieden aan de krachten die erop inwerken. In de hiernavolgende beschrijving wordt een inkijkje gegund van hoe dit in zijn werk gaat. Tegelijkertijd wordt van de gelegenheid gebruikt gemaakt om een aantal veelgehoorde platitudes en onterechte veralgemeningen, geuit door onbevoegden, de wereld uit te helpen. Want het beoordelen van de stabiliteit van een gebouw blijft nog altijd specialistenwerk.

Hoe moeilijk kan het zijn?
Vloerbalken worden gedragen door wanden, die op hun beurt gedragen worden door de fundering. Dus elke verbinding tussen deze elementen kan gezien worden als het samenbrengen van een gedragen en een dragend onderdeel. Juist?

Een dragende wand is een wand die de houten vloerbalken draagt. Dus de wand evenwijdig aan de vloerbalken is niet dragend. Juist?

Het juiste antwoord is, dat het niet zo simpel is. Nochtans zijn dit veel gehoorde beweringen. Dat is niet erg als het louter de bedoeling is om de conversatie licht en verteerbaar te houden. Erger wordt het wanneer deze uitspraken voortkomen uit een oprechte overtuiging, dat de materiële werkelijkheid hiermee sluitend en treffend beschreven is. Want dat is niet zo.

Vier scenario’s
Hieronder zijn vier verschillende scenario’s weergegeven die het evenwicht van één verticale stijl van een houtskeletwand beschrijven. De stijl rust op een onderregel. In het contactoppervlak kan geen trek opgenomen worden. Verder wordt toegelaten dat de onderregel plastisch kan vervormen. De beweging van de stijl in de richting loodrecht op het vlak van de tekening wordt verondersteld verhinderd, bijvoorbeeld door een beplating in OSB-3. Het model dient als illustratie. Er wordt voor de eenvoud en de duidelijkheid geen rekening gehouden met de in realiteit noodzakelijke veiligheidsfactoren.

Het eerste scenario is een legitiem model voor een wand die een last draagt. Een dragende wand dus volgens de meest eenvoudige definitie. De last is afkomstig van bijvoorbeeld vloerbalken. Mogelijks rust er ook een randbalk op de stijlen, zodat de vloerbalken niet netjes in het midden van de stijl kunnen rusten. Er wordt uitgegaan van een afwijking van het midden, de excentriciteit, dat gelijk is aan de afmeting van de stijl gedeeld door vier. Uit het model blijkt dat de stijl al omvalt bij een last van 4,3 kN ofwel 430 kg. Dat is in bouwkundige termen al een peulschil, maar eerlijk gezegd geloof ik niet dat een vrijstaande stijl zelfs deze last kan houden.

In het tweede scenario wordt geprobeerd om de excentriciteit zo klein als mogelijk te houden. Dat wordt al een hele oefening in balanceren. Een dure bovendien, gelet op de ontwerp- en uitvoeringsuitdagingen om dit gerealiseerd te krijgen. Om evenwel rekening te houden met maat- en uitvoeringstoleranties, legt de norm op om in dit geval minstens rekening te houden met een excentriciteit van 6 mm. We winnen flink in draagvermogen, maar we moeten wel een aanzienlijke uitwijking bovenaan dulden. Om te vermijden dat schijnwerk en afwerkingen beschadigd geraken of niet meer functioneren, zullen we alsnog de belasting moeten beperken.

Het derde model leunt al wat dichter aan bij de werkelijkheid. Bovenaan wordt nu een steunpunt voorzien die de horizontale uitwijking simpelweg tegenhoudt. De onderregel kan nu nagenoeg volledig plastisch vervormen, het volledige draagvermogen wordt hiermee benut. We kunnen de last opdrijven tot 49,1 kN ofwel 4,91 ton. Dat lijkt er al meer op. En de horizontale uitwijkingen blijven zeer beperkt. Wel verschijnt er een horizontale reactiekracht van 0,12 kN.

Tenslotte wordt er in het vierde scenario rekening gehouden met de oorspronkelijke excentriciteit. Dat is meer in overeenstemming met de in de dagelijkse praktijk toegepaste bouwknopen en verbindingen. Opmerkelijk is dat dit geen enkele invloed heeft op het draagvermogen in het contactvlak stijl-regel. Wel zien we een beduidende doorbuiging van de stijl gebeuren, waarmee we rekening zullen moeten houden. Ook de horizontale steunreactie stijgt naar 0,62 kN, waarvoor gepaste verbindingstechnieken van toepassing zijn.

Het is toch niet zo simpel
Een dragende wand is een wand die de vloerbalken draagt? Niet wanneer de wand zelf niet ondersteund wordt door de vloerbalken. De wand kan maar dragend zijn wanneer de vloerplaat ondersteuning biedt. Dus de vloerbalken dragen ook de wand. De bouwelementen steunen op elkaar. Er is geen duidelijke afbakening welk onderdeel dragend is en welk onderdeel gedragen is. Dit soort kwalificaties en indelingen heeft voor de stabiliteitsingenieur dan ook geen enkele waarde. Voor hem of haar geldt louter het krachten- en momentenevenwicht, ongeacht of men het heeft over acties dan wel over reacties.

De vloerbalken kunnen maar horizontale ondersteuning bieden, wanneer ze zelf op hun beurt ondersteund worden. Dat gebeurd door de beplating of de beplanking, die de krachten afleiden naar één of meerdere stijve wanden, die dwars staan op de oorspronkelijke wand en dus evenwijdig lopen aan de vloerbalken. Dus wanden evenwijdig aan de vloerbalken kunnen evengoed een dragende functie hebben.

De voorbeelden tonen aan dat een sluitende beschrijving van het mechanische gedrag van een gebouw een complexe bezigheid is. Een levensnoodzakelijke ook. Je zal maar een dwarse wand verwijderen, overtuigd door de misleidende bewering dat deze geen dragende functie heeft. Alles heeft er natuurlijk mee te maken dat men zich bewust moet blijven van context en randvoorwaarden, al dan niet expliciet verwoord. Het blijft maatwerk.

In de voorbeelden is aangetoond dat een horizontale ondersteuning bovenaan een efficiënte manier is om rekening te houden met excentrische belastingen. Verder behoren wanden evengoed weerstand te bieden aan horizontale belastingen ten gevolge van wind of stootbelastingen. Op de verdieping behoren buitenwanden dezelfde prestaties als een borstwering te vervullen, gelet op het valgevaar.

Wat als er geen horizontale ondersteuning is?
Zodra de voorwaarden voor een deugdelijke, dragende wand beschreven zijn, kan je je natuurlijk afvragen of die voorwaarden altijd vervuld zijn. Is die horizontale ondersteuning altijd ter beschikking?

Onderstaand voorbeeld beschrijft twee op elkaar gestapelde wanden. De onderste wand ontvangt de last van de bovenste wand, maar is zelf bovenaan niet ondersteund door een vloerplaat. Deze situatie komt vaak voor. Ze is namelijk typisch voor een trapgat, een technische koker of een vide tegen een buitenwand of een ontkoppelde gemene muur. En elk gebouw met meer dan één bouwlaag heeft nu eenmaal een trap.

In dat geval rekent men op de sterkte en de stijfheid van de boven- en onderregel in het midden van de dubbelhoge wand. Ze werken als een balk die horizontaal belast wordt, op voorwaarde natuurlijk dat die aan de horizontale steunpunten doeltreffend verankerd zijn. Ook mogen de regels niet onderbroken zijn tussen de steunpunten. Dat kan een aandachtspunt zijn wanneer men werkt met geprefabriceerde panelen, waarvan de tussenvoeg net ter hoogte van het trapgat kan vallen. Wanneer de opening van het trapgat te groot wordt, hoeft men niet verbaasd te zijn als de ingenieur plaatselijk een versterking ontwerpt.

Wettelijke context
Er is geen bevrijding voor het aanvragen van een omgevingsvergunning en het aanstellen van een architect, wanneer beoogde werken de oplossing van een stabiliteitsprobleem inhouden. Deze wetgeving bedient voornamelijk juristen en verzekeraars, en heeft vooral als doel om gemakkelijk aansprakelijkheden aan te kunnen duiden wanneer het misloopt. Deze wetgeving heeft evenwel geen enkele bijdrage aan het vermijden van het ontstaan van schade. Iedereen die zich geroepen voelt, mag zich immers bekwaam verklaren om te oordelen of bepaalde werken gepaard gaan met de oplossing van een stabiliteitsprobleem.

De meest waanzinnige simplismen heb ik al gehoord. Een keukenbouwer die beweert dat iedereen het recht heeft op het plaatsen van maximaal één ‘poutrelleke’. Iemand die beweert dat alle werken binnenshuis vergunningsvrij zijn. Maar ook de overheid die verklaart dat het plaatsen van een raamopening onder een bepaalde overspanning, het plaatsen van dakvlakvensters, zonnepanelen of een groendak, of het verwijderen van dakkepers geen oplossing van een stabiliteitsprobleem vergen.

Dat een overheid dergelijke niet onderbouwde veralgemeningen doet, is ergerlijk. Men wil hier kennelijk tegemoetkomen aan een publiek dat zelf wil kunnen beoordelen of bepaalde werken gevaarlijk zijn of niet. De keuze voor een gemakkelijk te verteren checklist is daarmee snel gemaakt. Voor mij komt het toch vooral over als een gemeente die een ‘verbod om te sterven’ in haar reglementen opneemt. Het negeert immers een materiële werkelijkheid én de noodzakelijkheid voor een minimumbekwaamheid om deze nauwkeurig te beschrijven.

Disclaimer
In wat volgt, ga ik de lezer met u aanspreken, om het nodige gewicht aan mijn boodschap te geven. Wanneer ik over bouwtechnische zaken schrijf, is het niet de bedoeling dat u die klakkeloos gaat gebruiken in uw bouwproject. U zult steeds beroep moeten doen op een architect en wellicht een ingenieur, en voor deze diensten een ernstig budget voorzien. Een bouwproject is maatwerk, en de algemeenheden die ik beschrijf, zijn onvoldoende om met voldoende betrouwbaarheid uw bouwproject te ondersteunen, al was het maar omdat een beoordeling van de geschiktheid van mijn bevindingen voor uw project ontbreekt. Ik wijs alle verantwoordelijkheden af met betrekking tot enig oneigenlijk gebruik van deze teksten, die louter bedoeld zijn als informatieverstrekking.

Wat ik wel aanmoedig, is om mijn bevindingen te gebruiken als vergelijkingsmateriaal. Ik maak mij sterk dat de informatie die ik deel, deugdelijk en transparant is. Dat moet de bouwheer, architect of ingenieur helpen om realistische verwachtingen te krijgen met betrekking tot hun bouwproject.