Kruip: verandering van materiaalopbouw met de tijd

Materialen toegepast als constructie-onderdeel dienen voldoende sterkte en stijfheid te bezitten. Aandachtspunt van stijfheid is het met de tijd optredende fenomeen kruip. Vervorming, doorbuiging of herschikking van kleine deeltjes zorgt ervoor dat een profiel, balk of aardebaan met de tijd een aanvullende verandering ondergaat. Wat houdt kruip in en wat voor invloed heeft het bij de verschillende veel toegepaste materialen?

Kruip

• Wat houdt kruip in?
• Staal
• Gewapende betonbalk
• Een houten balk
• Grond als funderingsmethode

Wat houdt kruip in?

Indien een profiel of doorsnede (materiaal met vorm combinatie) op gewicht wordt belast, dan zal een initiële vervorming optreden. Ten gevolge van het permanente belastingaandeel zal het na verloop van tijd een aanvullende doorbuiging of zetting opleveren. Het wordt dan ook vaak een secundaire of seculaire verandering van het materiaal genoemd. De inwendige structuur van het materiaal zelf verandert, doordat de belasting altijd erop staat te drukken. Hoe vertaalt deze eigenschap zich bij verschillende materiaalsoorten?

Staal

Een zeer populair constructiemateriaal is staal en wordt bij ieder gebouwd object toegepast. Het heeft hoge sterkte eigenschappen en kan dus met relatief weinig materiaal veel belasting opnemen. Omdat het materiaal eveneens gemakkelijk vervormbaar is als het heet is, kan het in vele vormen worden gewalst. Kruip is bij staal dermate klein dat het constructief gezien standaard wordt verwaarloosd. Staal heeft een hoge elasticiteitsmodulus, namelijk E;mod= 210.000 N/mm2. Hoe anders is dit bij andere materialen en hoe wordt het bepaald?

Gewapende betonbalk

Een betonnen balk bestaat uit een rechthoekige betondoorsnede, waarbij betonstaal als hoofdwapening wordt toegepast in de trekzone. Via een inwendige ontbinding van krachten dient de balk namelijk druk en trek op te nemen. Omdat er sprake is van een combinatie van materialen valt de mate van vervorming (doorbuiging betonbalk, gewapende vloer) minder direct te bepalen. Daartoe dient op basis van de dimensies, de toegepaste betonkwaliteit en de aanwezige hoeveelheid staal een M-k diagram (moment kruip relatie) opgesteld te worden. Het bestaat uit twee lijnen, waarbij de bovenste lijn de korte duur belastingcapaciteit vertegenwoordigt en de onderste lijn de lange duur. Het verschil tussen deze twee betreft de kruip van de desbetreffende vorm.

Een houten balk

Ten opzichte van staal en beton is hout een vrij zwak materiaal en dat laat de E-modulus ook zien, zijnde E=9.000 N/mm2. Omdat het een slap materiaal betreft, is het extra gevoelig voor het tweede orde effect. Normaal zal hout door permanente en variabele belasting doorbuigen. Het permanente aandeel zorgt er aanvullend voor dat houtvezels in de lengterichting verder gaan herschikken en verlengen. Oftewel met de tijd verandert de inwendige houtstructuur, waardoor er een extra doorbuiging optreedt. Dit is zeer herkenbaar bij een enkel liggende plank. Het buigt in eerste instantie iets door. Zonder dat er extra gewicht op is komen te staan buigt het na verloop van tijd twee maal zover door. Binnen houtberekeningen dient het permanente belastingaandeel dus twee keer genomen te worden om de totale vervorming te bepalen.

Grond als funderingsmethode

De bodem bestaat uit vele grondsoorten. Denk aan zand, klei, veen enzovoorts. De verschillen zitten in het formaat van het basismateriaal. Zand heeft een grote korrel en kan snel water afvoeren. Wordt het aanvullend belast dan herschikt de korrelstructuur zich direct, waardoor er geen seculair effect kan optreden. Dit is ander bij grondsoorten zoals klei. Het aandeel lutum (zeer kleine lang gerekte plaatjes, welke op elkaar liggen) is hoog, waardoor de waterdoorlatendheid beperkt is (primaire zetting). Een belastingtoename zorgt ervoor dat het tijd neemt, voordat overspannen grondwater is afgevoerd. Anderzijds gaat de pakking (herstructurering) eveneens met de tijd veranderen, waardoor (seculaire zetting) ontstaat. Primaire zetting dat afhankelijk is van afwatering kan worden versneld, middels tijdelijk extra belasting aan te brengen of door drainage water versneld af te voeren. Secundaire zetting treedt met de tijd op en kan niet worden versneld. Vaak zal deze zetting beperkt blijven en treedt op tijdens de gebruiksfase van de aardebaan.

Lees verder

• Kruipend hout: kruip door secundaire doorbuiging met de tijd
• Mechanische materiaaleigenschappen, welke zijn dat?
• Waarom wordt een bepaald constructiemateriaal toegepast?