Welke norm voor opleggingen?

De afmetingen van al dan niet gewapende ‘rubber’ oplegmaterialen worden in de infratechniek bepaald aan de hand van de toetsingsregels uit de geharmoniseerde Europese norm EN 1337-3:2005. Dit document draagt de titel ‘Opleggingen voor bouwkundige en civieltechnische toepassingen’. In de burgerlijke en utiliteitsbouw wordt het document echter nauwelijks van toepassing verklaart. In 2020 is dit nog steeds geval.

Fabrikanten en importeurs van B&U-opleggingen hanteren voor hun tabellen en rekenprogramma’s meestal waarden die zijn ontleend aan DIN 4141 deel 14 uit 1985.  Een Nederlandse of Belgische standaard was en is niet beschikbaar. DIN 4141 is inmiddels teruggetrokken en vervangen door EN 1337-3. Waarom wordt deze norm dan niet of hoogst zelden toegepast in de utiliteitsbouw? Wat zijn de verschillen tussen de rekenregels? Komt er ooit één norm voor oplegmateriaal?

De functie van een oplegmateriaal is de overdracht van belastingen. Daarbij moeten eventueel optredende planparallelle verplaatsingen en hoekverdraaiingen kunnen worden opgenomen. Een elastisch materiaal als elastomeer – een verzamelnaam voor kunststoffen met rubberachtige eigenschappen – is daarvoor uitermate geschikt. Juist door deze elastische eigenschappen zijn de toetsingscriteria volkomen anders dan die van starre materialen als beton en staal. Alle methoden om een oplegrubber te dimensioneren, zijn gebaseerd op de lineair-elastische theorie van Topaloff. Deze publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift ‘Der Bauingenieur’ in 1964. De uitgangspunten van Topaloffs  onderzoek zijn vermeld in ons artikel ‘Vormfactor, begrenzing van de oplegdruk’.

De Europese standaard EN 1337 is na circa twintig jaar voorbereiding in 2005 gepubliceerd. Het document, dat bestaat uit elf delen,  is beschikbaar in het Engels, Frans en Duits. In Nederland en België wordt onder de naam NEN- of NBN-EN 1337 een Engelstalig document uitgegeven met een voorwoord in de landstaal of -talen. In deel 3, ‘Opleggingen van elastomeren’, zijn de eisen geformuleerd voor al dan niet gewapende opleggingen. Onderscheid wordt gemaakt in zes typen: vijf gewapende en één ongewapende. Voor nadere informatie over deze typen zie ‘Gewapend rubber brugopleggingen’. De norm is uitsluitend van toepassing op opleggingen die zijn gemaakt uit chloropreen- en/of natuurrubbermengsels met bepaalde eigenschappen. Dit is de belangrijkste reden dat het document niet wordt gebruikt in de B&U-sector. Al vele jaren worden hier immers met succes oplegmaterialen gebruikt, die zijn gemaakt van andere elastomeren zoals EPDM en SBR. Met name de eerstgenoemde is uitermate geschikt als hoogwaardig oplegmateriaal. In de B&U-bouw vaak gebruikte glij- en akoestische opleggingen passen al helemaal niet in de EN 1337. Wanneer de EN 1337 van toepassing is bij een bouwkundig project, dan zijn de mogelijkheden zeer beperkt.

Het verschil tussen DIN 4141-14 en 1337-3 is groot. Een beknopt overzicht:

  • Volgens de Europese norm wordt getoetst aan de hand van de UGT (uiterste grenstoestand met betrekking tot bezwijken). In de DIN gebeurt dit op basis van de bruikbaarheidsgrenstoestand (BGT). De veiligheidsfactoren zitten hier in het materiaal zelf.
  • De DIN maakt onderscheid in twee klassen. Klasse 2 is gangbaar, klasse 1 is van toepassing op opleggingen voor kritische plaatsen. Bezwijken van de oplegging kan  leiden tot het instorten van de constructie.
  • De Duitse norm was gebaseerd op oplegmaterialen met een Algemeines Baaufsichtliches Prüfzeuchnis (ABP). In zo’n certificaat zijn de materiaaleigenschappen en het toepassingsgebied (klasse 2, maximale druk en temperatuurspanne) vastgelegd. Ook was vermeld welke vormfactoren dienen te worden aangehouden. Dit is dus een wezenlijk onderscheid met de Europese norm waarin de grondstof, materiaaleigenschappen en vormfactor  voor iedere producent min of meer hetzelfde is. Voor klasse 1 zijn de eisen strenger. Hier was een Algemeines Baaufsichtliches Zulassung (ABZ) nodig.
  • Volgens de EN 1337-3 worden normaalspanning, rotatie en translatie herleid tot vervormingen (rek) van het elastomeer. Het totaal mag een bepaalde waarde niet te boven gaan. In de DIN werden de invloeden van druk, verplaatsing en hoekverdraaiing apart getoetst.

Wat is de situatie anno april 2020? In 2018 is een nieuwe ontwerpversie gepubliceerd van de EN 1337-3. Tot dusver is deze niet van kracht. Net als in de voorgaande editie is echter geen ruimte geboden aan oplegmaterialen die zich al decennia hebben bewezen in de B&U-sector. Inmiddels zijn de op DIN 4141 gebaseerde ABP’s en ABZ’s niet meer geldig. Als eerste Duitse producent van B&U-opleggingen heeft ESZ een nieuwe serie oplegmaterialen ontwikkeld waarvoor Zulassungen zijn verkregen. In de toekomst zal het bedrijf waarschijnlijk CE-markering aanvragen op basis van een European Assessment Document (EAD) en een European Technical Assessment (ETA). EAD en ETA zijn vooralsnog echter niet beschikbaar. Voor de nieuwe typen is een dimensioneringsprogramma gemaakt dat uitgaat van UGT-waarden voor belastingen.

Vormfactor: begrenzing van de oplegdruk

Rubber oplegmaterialen zijn in staat een bepaalde maximale toelaatbare belasting op te nemen. Bij onze  ESZ ongewapende opleggingen is aan de typeaanduiding te zien wat dit maximum is. In ‘C-10-E’ staat de ’10’ voor 10 N/mm², C-20-E kan 20 N/mm² opnemen.  Gebruiksbelasting wel te verstaan, de veiligheidsfactor zit in het materiaal zelf. Deze maximale gemiddelde druk is echter niet van toepassing voor alle afmetingen. Bij kleine formaten geldt een veel lagere limiet. Deze maxima zijn vastgelegd in een Allgemeines Bauaufsichtliches Prüfzeuchnis. Dit is een keuringsdocument dat in Duitsland nodig is om aan te tonen dat een product voldoet aan de bouwtechnische voorschriften. Waarom mogen kleinere afmetingen niet vol belast worden?  In dit artikel wordt uitgelegd hoe dat zit.

Alle rekenmethoden om een al dan niet gewapende rubber oplegging te dimensioneren zijn gebaseerd op de lineair-elastische theorie van Topaloff. Deze publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift ‘Der Bauingenieur’ in 1964. De uitgangspunten van zijn onderzoek waren:

  • De vervormingen van het oplegrubber zijn klein ten opzichte van de afmetingen van de oplegging;
  • Bij kleine vervormingen bestaat  een lineaire verhouding  tussen de belasting en de daaruit resulterende vervorming;
  • Vervormingen zijn volledig elastisch;
  • Het rubber is niet indrukbaar. Anders gezegd: het materiaal houdt onder druk een gelijk volume;
  •  In het rubber heerst een hydrostatische druk. Dat wil zeggen dat de spanning in alle richtingen gelijk is.

In de jaren ‘70 van de vorige eeuw is vastgesteld dat niet alleen de dikte van het rubber van belang is bij de vervorming, maar ook de lengte en breedte van de oplegging. Dit leidde tot de invoering van de zogenoemde ‘Vormfactor’ S. Dit is de verhouding van het belaste oppervlak en de afmeting van de onbelaste zijden. In formulevorm:

S = (a x b) / 2 x (a + b) x t  (rechthoekige opleggingen)

S = D/4 x t (ronde opleggingen)

Waarin:
a = lengte
b = breedte
t = dikte
D = diameter

Een rechthoekige oplegging van 50 x 100 x 10 mm heeft een vormfactor S = 1,7.  De S-waarde van een twee maal zo groot stuk rubber van 100 x 100 x 10 bedraagt  2,5. Dezelfde vormfactor  geldt voor een plaat van 200 x 200 x 20 mm.

Formfaktor_Prüfzeugnisbelast rubberIn de Prüfzeugnis  van bijvoorbeeld type C-20-E  is voor dikten 15 en 20 mm vastgelegd dat de oplegdruk van 20 N/mm² geldt bij een vormfactor groter of gelijk aan 3. Bij een factor tussen 1,5 en 3 is een maximum van 15 N/mm² van toepassing. Hoe kleiner de waarde, hoe lager de maximale druk. Bij vormfactor S < 1 mag het product helemaal niet worden gebruikt. oppervlaktewijzigingDat is bijvoorbeeld het geval bij een blokje van 50 x 50 x 15 mm (S = 0,8). Bij deze geringe afmetingen en relatief grote dikte kan men zich voorstellen hoe sterk het product kan worden ingedrukt en dus niet meer voldoet aan het eerstgenoemde uitgangspunt.

In de praktijk kan de vormfactor een lastige hindernis zijn bij het dimensioneren. Dikte is immers  nodig om een flinke hoekverdraaiing of translatie op te nemen. Bij een dubbele dikte halveert echter de vormfactor. Hierdoor kan de maximale toegestane belasting in het geding komen. In voorkomende gevallen kan er gekozen voor het stapelen van lagen rubber met een geringe dikte. De laagjes dienen dan onderling te worden gescheiden door dunne staalplaatjes. Bij een dergelijke stapeling geldt de vormfactor van een enkele laag, maar kunnen de maximaal toelaatbare hoekverdraaiingen en maximale translaties van de afzonderlijke rubberlagen worden opgeteld. In feite ontstaat zo de structuur van een gewapend rubber oplegging waarbij moet worden opgemerkt stapeldat er bij de stapel geen hechting bestaat door vulkanisatie tussen rubber en staal zoals in een gewapend rubber (brug)oplegging. Een minimale druk (van 5 N/mm²) is dus noodzakelijk om verschuiving van de onderdelen te voorkomen. De maximale hoekverdraaiing is begrensd tot 40 ‰ (40 mrad) om te voorkomen dat het rubber tussen de staalplaatjes uitschiet.

Puntglijopleggingen; welk type?

Puntglijopleggingen worden net als vaste puntopleggingen gebruikt op plaatsen waar overspannende bouwdelen op de ondergrond steunen. Voor een glijoplegging wordt gekozen als de te verwachten horizontale bewegingen van het opgelegde bouwdeel groter zijn dan een vaste puntoplegging kan opnemen. Dit is ongeveer 10 mm voor een ongewapende vaste oplegging en het dubbele voor een dik gewapend exemplaar. Hierbij dient u zich te realiseren dat de vaste oplegging weerstand biedt tegen vervorming en een glijoplegging juist een lage wrijvingsweerstand heeft. Bij grotere overspanningen is dus al snel een glijoplegging nodig. Hoe bepaalt u het juiste type? Welke eigenschappen van het oplegmateriaal zijn van belang bij uw keuze?

Op de Nederlandse markt zijn drie typen oplegmaterialen beschikbaar die kunnen worden gebruikt als puntglijoplegging. Dit zijn glijfolie, gewapend rubber met glijlaag en ongewapend rubber.

Glijfolie
Glijfolies bestaan uit dunne lagen van verschillende materialen die met behulp van watervaste tape bijeen worden gehouden. In verband met de beperkte belastbaarheid worden glijfolies doorgaans alleen gebruikt als lijnoplegging. Enkele duurdere typen kunnen echter hogere drukken aan. Glijfolies zijn niet of nauwelijks in staat hoekverdraaiingen opnemen, hetgeen de toepasbaarheid beperkt.
Alle kwalitatief hoogwaardige glijfolies hebben een kern van PTFE (teflon) die aan weerszijde wordt beschermd door een versterkte kunststof laag. Eventuele elastomeer cacheerlagen aan de buitenzijde zijn bedoeld voor drukverdeling en egalisatie. De wrijvingscoëfficiënt van glijfolie is bij een volkomen glad oppervlak kleiner dan 0,10.

Gewapend rubber met PTFE glijlaag en losse glijplaat
Dit type glijoplegging bestaat uit een kern met PTFE glijlaag en een losse glijplaat. De kern is gemaakt van elastomeer dat is gewapend met dunne staalplaatjes of lagen textiel. De wapening verhoogt de stabiliteit van de kern, maar maakt deze ook stijf. De PTFE glijlaag, die een hechte verbinding heeft met het elastomeer, is daarmee beschermd tegen beschadiging door doorbuiging.
Gangbare glijopleggingen met losse glijplaat zijn belastbaar tot 15 N/mm², zogenoemde high pressure uitvoeringen kunnen een druk van 25 N/mm² aan. In tegenstelling tot glijfolies zijn gewapend rubber glijopleggingen goed in staat om doorbuiging van het opgelegde element op te nemen. Afhankelijk van dikte en breedte zijn hoekverdraaiingen tot 20 ‰ mogelijk.
De glijplaat wordt doorgaans gemaakt van kunststof. Het duurdere alternatief is gepolijst corrosiewerend staal dat beter dan kunststof bestand is tegen mechanische bevestiging. De wrijvingscoëfficiënt van dit type oplegging is eveneens kleiner dan 0,10.

Ongewapende rubber glijoplegging
Een zogenoemde gelimiteerde glijoplegging is een plat hol rubber extrusieprofiel dat aan de binnenzijde is voorzien van siliconenvet. De maximale glijweg van deze bouwstof wordt begrensd door de vorm van het profiel en bedraagt ± 25 millimeter. De gelimiteerde glijoplegging wordt geleverd in een dikte van 10 mm en een beperkt aantal breedtematen. Door een aantal stroken naast elkaar te leggen, kunnen grote belastingen worden opgenomen. Afhankelijk van de vorm bedraagt de maximale belastbaarheid 15 N/mm² en de maximale hoekverdraaiing 23 ‰. De wrijvingscoëfficiënt van de gelimiteerde glijopleggingen is 0,03.

Bij het bepalen van de afmetingen van glijfolie dient te worden uitgegaan van een maximale glijbeweging. Het contactvlak is dan immers het kleinst. Voor de dimensionering van rubber opleggingen gebruikt u de tabellen van uw leverancier. Hierin zijn de theorieën van Topaloff verwerkt. Zie voor nadere informatie het artikel ‘puntopleggingen, welke kwaliteit en afmetingen?
Een extra aandachtspunt bij glijopleggingen is de minimale verticale belasting. Indien deze minder is dan 3 N/mm² dan dient de oplegging (en de eventuele glijplaat) te worden gefixeerd. Bij stalen constructies wordt, in verband met het gladde contactvlak, altijd geadviseerd te oplegging te behoeden tegen verschuiven.

Als de maten zijn vastgesteld, is het verstandig een tekening te maken van de glijoplegging en de eventuele glijplaat. In de tekening kunnen ook de eventueel gewenste sparingen en de maten van de verloren bekisting worden vermeld.

Puntopleggingen; welke kwaliteit en afmetingen?

Puntopleggingen worden toegepast op de steunpunten van opgelegde elementen. De voornaamste reden van gebruik is het op de gewenste plaats overbrengen van verticale lasten. Vaste rubber puntopleggingen kunnen daarnaast ook hoekverdraaiingen en beperkte horizontale bewegingen opnemen. Een prettige bijkomstigheid is dat rubber opleggingen in elke maat en vorm kunnen worden geleverd. Waar nodig worden sparingen aangebracht voor bijvoorbeeld ankerpennen. Het dimensioneren van een elastisch materiaal is anders dan de berekening van een stalen of betonnen constructie. Hoe doet u dit? Hoe kiest u de  juiste kwaliteit oplegmateriaal?

Alle rekenmethoden om een al dan niet gewapende rubber oplegging te dimensioneren zijn gebaseerd op de lineair-elastische theorie van Topaloff. Deze publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift ‘Der Bauingenieur’ in 1964. In dit artikel over opleggingen voor de B&U- bouw volgen we de rekenmethode zoals deze is uitgewerkt in DIN 4141 deel 14 (1984).

Voor het dimensioneren van een puntoplegging heeft u de volgende gegevens nodig:

  • Verticale belastingen. Hier wordt de gebruiksbelasting aangehouden als karakteristieke rekenwaarde. De verhouding tussen variabele en permanente belasting kan eventueel van belang zijn bij de keuze van de kwaliteit van een oplegmateriaal. Daarover later meer.
  • Hoekverdraaiing. Uit de constructieberekeningen volgt de doorbuiging van het bouwdeel. Daarnaast gelden er eventueel geometrische aspecten. Verder is het niet onbelangrijk om rekening te houden met uitvoeringsaspecten. Een eventuele afwijking van 5 ‰ van de planparallelliteit (5 mm per meter of ca. 0,3 °) is realistisch.
  • Lengteverandering van het bouwdeel als gevolg van temperatuur, kruip en krimp.
  • Beschikbaar oplegvlak. De tabellen 10.2 tot en met 10.4 uit Eurocode 2 deel 1-1 bieden de nodige informatie. Aan de hand van de gemiddelde oplegdruk en het toegepaste materiaal van het ondersteund bouwdeel kunnen de minimaal benodigde oppervlakken en randafstanden worden vastgesteld. In principe is de breedte van de oplegging kleiner dan de lengte. Dat wil zeggen dat de as van de hoekverdraaiing evenwijdig loopt met de grootste afmeting. Sparingen, mits in totaal kleiner dan 10% van de oppervlakte van de oplegging, hoeven niet in mindering te worden gebracht op het beschikbare oppervlak. Verder dient te worden opgemerkt dat bij de dimensionering van oplegmateriaal een vormfactor wordt gehanteerd. Hoe kleiner en hoe dikker de oplegging, des te groter de vervorming en daarmee de interne schuifspanningen. Kleine dikke opleggingen kunnen daarom niet tot aan de opgegeven maximale oplegdruk worden belast.

Aan de hand van tabellen van leveranciers kan eenvoudig worden vastgesteld welk materiaal voor uw project het meest geschikt is. Eenvoudiger is echter het gebruik van een dimensioneringsprogramma. Met ons gratis beschikbare rekenvel bijvoorbeeld, kan direct het meest voordelige type uit het programma van ESZ worden bepaald. Gerekend kan worden met op de millimeter nauwkeurige maten en exacte hoekverdraaiingen. De programmatuur voorziet tevens in een keuze tussen de twee opleggingsklassen die worden gehanteerd in DIN 4141. Alhoewel deze norm in Nederland niet van kracht is, valt sterk te overwegen alleen de beste materialen in te zetten bij kritische situaties. De hoogste kwaliteit oplegmaterialen (klasse 1) heeft de nodige elastische overcapaciteit. Deze opleggingen worden toegepast in geval dat het eventuele bezwijken van de oplegging (bij bijvoorbeeld overschrijding van de veronderstelde belastingen) ernstige gevolgen heeft voor de draagkracht van de gehele constructie of delen daarvan. ‘Klasse 1 oplegmateriaal’ bevat relatief veel elastomeer. Dit geeft het product een snelle terugveerreactie en maakt het geschikt voor toepassing in constructies met een hoge variabele belasting. Wordt deze last weggenomen, dan blijft het oplegmateriaal de constructie ondersteunen. DIN 4141 schrijft klasse 1 voor als de variabele belasting meer dan 25% uitmaakt van de maximale belasting.

Bij het bestellen van opleggingen, zeker als deze sparingen hebben, is het verstandig een tekening mee te sturen. Bij uitvoeringen die zijn ingepakt in polyethyleen (voor toepassing onder ter plaatse gestort beton) of minerale wol (bescherming tegen brand) geeft u ook de maten van dit materiaal aan.