Inleiding tot funderingstechniek

Dit gespecialiseerde veld combineert principes uit grondmechanica, rotsmechanica en geotechniek om funderingen te creëren die belastingen effectief van de constructie naar de grond overbrengen. Het primaire doel van funderingen is om het gewicht van de constructie over een groot gebied te verdelen, waardoor overbelasting en mogelijke zettingsproblemen worden voorkomen. Bovendien verankeren funderingen structuren tegen natuurlijke krachten zoals aardbevingen, overstromingen, droogtes, vorst, tornado's en wind. Funderingstechniek is in de loop van de tijd geëvolueerd, waarbij historische technieken zoals aardvaste of paal-in-grondconstructies, padstones en staddlestones plaats hebben gemaakt voor moderne methoden zoals ondiepe en diepe funderingen. De keuze van een geschikt funderingstype is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder bodemeigenschappen, omgevingsomstandigheden en het beoogde doel van de constructie. Als zodanig speelt funderingstechniek een cruciale rol bij het waarborgen van de veiligheid, stabiliteit en duurzaamheid van onze gebouwde omgeving.

Doel van funderingen in structuren

Het doel van funderingen in constructies is om stabiliteit en ondersteuning te bieden door de belastingen van de constructie naar de grond over te brengen. Funderingen spelen een cruciale rol bij het verdelen van het gewicht van de constructie over een groot gebied, het voorkomen van overbelasting van de onderliggende grond en het voorkomen van ongelijke zettingen die de stabiliteit van de constructie in gevaar kunnen brengen (Das, 2010). Bovendien verankeren funderingen de structuur tegen natuurlijke krachten zoals aardbevingen, overstromingen, droogtes, vorst, tornado's en wind (Coduto et al., 2011). Ze bieden ook een vlak constructieoppervlak en voorkomen in sommige gevallen zijdelingse bewegingen van de ondersteunde constructie. Een goed ontworpen en geconstrueerde fundering zorgt ervoor dat de dode en opgelegde belastingen worden overgebracht op de bodem zonder differentiële zettingen of stabiliteitsproblemen te veroorzaken (Bowles, 1996). Kortom, funderingen zijn essentieel voor de algehele prestaties en levensduur van constructies, omdat ze zorgen voor een stabiele en veilige verbinding tussen de constructie en de grond.

Vereisten voor een goed presterende stichting

Een goed presterende fundering is cruciaal voor de stabiliteit en levensduur van een constructie. Om dit te bereiken, moet tijdens het ontwerp- en bouwproces aan bepaalde eisen worden voldaan. Ten eerste moet de fundering de dode en opgelegde belastingen van de constructie effectief verdelen over de grond, zonder differentiële zettingen te veroorzaken die de stabiliteit van de constructie in gevaar kunnen brengen. Dit kan worden bereikt door een stijve basis voor de fundering te hebben, met name in gebieden met niet-uniforme bovenliggende belastingen (Briaud, 2013).

Een andere vereiste is ervoor te zorgen dat de fundering diep genoeg is om bestand te zijn tegen schade of ongemak veroorzaakt door krimp en zwelling als gevolg van temperatuurveranderingen. Dit is vooral belangrijk in gebieden met uitgestrekte bodems of significante seizoensgebonden temperatuurschommelingen (Das, 2010). Bovendien moet de locatie van de fundering zorgvuldig worden gekozen om te voorkomen dat deze wordt beïnvloed of beïnvloed door toekomstige werkzaamheden of factoren, zoals bouw in de buurt of veranderingen in grondwaterstanden (Briaud, 2013).

Samengevat, een goed presterende fundering moet de belastingen effectief verdelen, zettingsverschillen voorkomen, diep genoeg zijn om omgevingsfactoren te weerstaan ​​en zich in een gebied bevinden dat vrij is van mogelijke toekomstige verstoringen.

Factoren die van invloed zijn op de selectie van foundations

De keuze van een geschikt funderingstype voor een constructie wordt door verschillende factoren beïnvloed. Een cruciale factor is het grondtype en het draagvermogen ervan, die bepalend zijn voor het vermogen van de fundering om het gewicht van de constructie te dragen zonder overmatige zetting of bezwijken (Bowles, 1996). Bovendien spelen de grootte, het gewicht en het beoogde gebruik van de constructie een belangrijke rol bij de keuze van de fundering, aangezien deze het vereiste draagvermogen en de stabiliteit bepalen (Das, 2010). Omgevingsfactoren, zoals de aanwezigheid van grondwater, vorstdiepte en seismische activiteit, hebben ook invloed op de keuze van de fundering, omdat ze de prestaties en duurzaamheid van de fundering kunnen beïnvloeden (Coduto et al., 2011). Bovendien kunnen economische overwegingen, zoals bouwkosten en beschikbaarheid van materialen, het besluitvormingsproces beïnvloeden (Oyenuga, 2014). Ten slotte moet rekening worden gehouden met lokale bouwvoorschriften en -voorschriften om naleving van veiligheids- en prestatienormen te waarborgen (IBC, 2018).

Historische funderingstypes en -technieken

Historisch gezien zijn er in de bouw verschillende soorten funderingen en technieken gebruikt om constructies stabiliteit en ondersteuning te bieden. Een van die technieken is aardvast of paal-in-de-grondconstructie, waarbij houten palen direct in de grond werden ingebed, vaak gebruikt in gebouwen en maritieme constructies (Latvijas Etnogrfiskais Brvdabas Muzejs, 2019). Padstones en staddle stones werden ook gebruikt als eenvoudige funderingen, waarbij padstones enkele stenen waren die het gewicht over de grond verspreidden en het hout van de grond brachten (Chappell, 2016). Stenen funderingen, hetzij droge steen of in mortel gelegd, waren in veel delen van de wereld gebruikelijk en vormden een solide basis voor constructies (Wheeler, 2012). Puingeulfunderingen, bestaande uit een ondiepe geul gevuld met puin of stenen, werden gebruikt in bodems met een capaciteit van meer dan 10 ton/m2 (2,000 pond per vierkante voet) en verlengd tot onder de vrieslijn om vorstophoping te voorkomen (Kennedy, 2004 ).

Earthfast of post in grondconstructie

Earthfast of paal-in-grondconstructie is een oude bouwtechniek waarbij houten palen of balken rechtstreeks in de grond worden ingebed, zonder het gebruik van een aparte fundering. Deze methode wordt al duizenden jaren gebruikt in verschillende culturen en geografische locaties, met name in regio's met overvloedige houtvoorraden (Falk, 2014). Het belangrijkste voordeel van aardvaste constructie is de eenvoud en kosteneffectiviteit, aangezien er minimale materialen en arbeid nodig zijn in vergelijking met andere funderingstypes. Deze techniek heeft echter ook verschillende nadelen, waaronder de gevoeligheid voor bederf en schade door insecten, evenals mogelijke instabiliteit als gevolg van bodembewegingen of ongelijke zettingen (Rackham, 1994). Om deze problemen te verminderen, gebruiken bouwers vaak rotbestendige houtsoorten, behandelen ze de palen met conserveermiddelen of gebruiken ze aanvullende ondersteuningsmechanismen zoals steen- of metselwerkpijlers (Falk, 2014). Ondanks zijn beperkingen blijft aardvaste constructie een haalbare optie voor bepaalde toepassingen, met name in landelijke of afgelegen gebieden waar de toegang tot materialen en geschoolde arbeidskrachten mogelijk beperkt is.

Padstones en staddlestones

Padstones en staddle stones zijn historische funderingstechnieken die werden gebruikt om stabiliteit en ondersteuning te bieden aan constructies. Padstones, vaak gemaakt van grote, platte stenen, dienden als eenvoudige basis door het gewicht van de constructie over een groter gebied te spreiden en het hout van de grond te tillen, waardoor direct contact met grond en vocht werd voorkomen (Chappell, 2016). Deze techniek was vooral handig in gebieden met beperkte middelen of voor kleinere structuren.

Staddle-stenen daarentegen waren een specifiek type padstone dat werd gekenmerkt door hun paddestoelachtige vorm. Ze werden voornamelijk gebruikt om graanschuren en andere landbouwgebouwen te ondersteunen en ze boven het maaiveld uit te steken om opgeslagen goederen te beschermen tegen vocht, ongedierte en knaagdieren (Harris, 2003). Het unieke ontwerp van staddlestones zorgde voor een betere luchtcirculatie en drainage, waardoor de inhoud van de constructie verder werd beschermd. Zowel padstones als staddlestones vertegenwoordigen vroege pogingen om stabiele en duurzame funderingen te creëren, die de weg vrijmaken voor meer geavanceerde technieken in moderne funderingstechniek.

Stenen funderingen

Stenen funderingen zijn een gangbare methode geweest in historische bouwtechnieken, vooral in regio's met overvloedige steenvoorraden. Deze funderingen zijn gebouwd met behulp van droge steen of stenen die in mortel zijn gelegd, wat een stabiele en duurzame basis vormt voor constructies. Droge stenen funderingen werden gebouwd door stenen zorgvuldig te stapelen zonder mortel, vertrouwend op hun gewicht en plaatsing om de stabiliteit te behouden. In sommige gevallen werd de bovenste laag stenen gehouwen of ontgonnen om het uiterlijk en de prestaties van de fundering te verbeteren (Chappell, 1999).

Aan de andere kant, bij stenen funderingen die in mortel waren gelegd, werd een bindmiddel gebruikt om de stenen op hun plaats te houden, waardoor de algehele sterkte en levensduur van de fundering werd verbeterd. Deze methode was beter bestand tegen omgevingsfactoren zoals opwaaiende vorst en waterinfiltratie, die de stabiliteit van droge stenen funderingen in gevaar konden brengen (Gibbons, 2001). Stenen funderingen kregen de voorkeur vanwege hun duurzaamheid, draagvermogen en weerstand tegen natuurlijke krachten, waardoor ze door de geschiedenis heen een populaire keuze waren voor verschillende soorten constructies.

Puin Trench Funderingen

Puinsleuffunderingen zijn een soort ondiep funderingssysteem dat bestaat uit een sleuf gevuld met puin of stenen. Deze funderingsmethode is met name geschikt voor bodems met een draagvermogen van meer dan 10 ton/m2 (2,000 pond per vierkante voet) en is ontworpen om onder de vorstgrens uit te reiken om vorstschade te voorkomen. De sleuf is vaak uitgerust met een afvoerleiding om de afvoer van grondwater te vergemakkelijken, waardoor het risico op watergerelateerde problemen zoals erosie of hydrostatische druk wordt verkleind. In de bouw worden puinsleuffunderingen gebruikt om het gewicht van de constructie gelijkmatig over een groter gebied te verdelen, waardoor het risico op zettingsverschillen wordt geminimaliseerd en de algehele stabiliteit van het gebouw wordt verbeterd. Deze funderingstechniek is gebruikt in verschillende soorten constructies, waaronder residentiële, commerciële en industriële gebouwen, vanwege de kosteneffectiviteit, het constructiegemak en het aanpassingsvermogen aan verschillende bodemgesteldheden (Fathy, 1986; Kennedy, 1995).

Moderne funderingstypes en -technieken

Moderne funderingstypes en -technieken zijn geëvolueerd om verschillende bodemgesteldheden, structurele vereisten en omgevingsfactoren aan te pakken. Ondiepe funderingen, zoals gespreide funderingen en plaat-op-grond funderingen, worden vaak gebruikt wanneer de grond voldoende draagvermogen heeft en het gewicht van de constructie over een relatief klein gebied kan worden verdeeld. Gespreide funderingen bestaan ​​uit betonnen stroken of kussens die zich uitstrekken tot onder de vrieslijn, waardoor het gewicht van muren en kolommen wordt overgebracht op de grond of het gesteente. Slab-on-grade funderingen omvatten een betonnen plaat die rechtstreeks op de grond wordt gestort, waardoor een stabiele basis ontstaat voor de constructie erboven.

Diepe funderingen worden daarentegen toegepast wanneer de draagkracht van de grond onvoldoende is of het gewicht van de constructie moet worden overgebracht naar diepere, stabielere lagen. Bij paalfunderingen, een soort diepe fundering, worden lange, slanke kolommen van staal, beton of hout in de grond geslagen of geboord om de constructie te ondersteunen. Een andere diepe funderingstechniek is het gebruik van caissons, dit zijn grote, cilindrische structuren die zich door zwakke grondlagen uitstrekken om stabielere lagen te bereiken. Deze moderne funderingstechnieken zijn gebaseerd op grondmechanica en geotechnische principes, waardoor de stabiliteit en levensduur van de constructies die ze ondersteunen worden gegarandeerd (Das, 2010; Coduto et al., 2011).

Ondiepe funderingen

Ondiepe funderingen, vaak funderingen genoemd, zijn een populaire keuze in moderne constructies vanwege hun kosteneffectiviteit en installatiegemak. Deze funderingen zijn meestal ongeveer een meter diep in de grond ingebed en zijn ontworpen om het gewicht van een constructie over te brengen op de onderliggende grond of gesteente. Een veelvoorkomend type ondiepe fundering is de gespreide voet, die bestaat uit stroken of kussens van beton of ander materiaal die zich uitstrekken tot onder de vrieslijn. Dit ontwerp verdeelt de belasting van muren en kolommen effectief, waardoor ongelijkmatige zetting wordt voorkomen en structurele stabiliteit wordt gegarandeerd (Oasys, 2018).

Een andere veelgebruikte ondiepe fundering is de plaat-op-grond fundering, waarbij een betonnen plaat direct op de grond wordt gestort, die zowel als fundering als als vloer van de constructie dient. Deze methode is met name geschikt voor gebieden met een hoog grondwaterpeil of uitgestrekte bodems, omdat het risico op het binnendringen van vocht en grondbewegingen die het gebouw beïnvloeden, wordt geminimaliseerd (Portland Cement Association, nd). Over het algemeen zijn ondiepe funderingen een veelzijdige en economische optie voor verschillende bouwprojecten, op voorwaarde dat de bodemgesteldheid en het draagvermogen geschikt zijn voor de beoogde constructie.

Diepe fundamenten

Diepe funderingen zijn een cruciaal onderdeel in de moderne bouw, met name voor grootschalige constructies en gebouwen op een zwakke of onstabiele bodem. Deze funderingen strekken zich aanzienlijk uit onder het grondoppervlak, waardoor de belasting van de constructie wordt overgebracht naar diepere, stabielere grondlagen of gesteente. Dit verzekert de stabiliteit en levensduur van de constructie door het risico van verzakking of falen als gevolg van onvoldoende bodemondersteuning te minimaliseren. Er zijn verschillende soorten diepe funderingen, waaronder palen, geboorde schachten en caissons, elk met specifieke toepassingen en voordelen, afhankelijk van de omstandigheden op de locatie en de structurele vereisten.

Zo bestaan ​​paalfunderingen uit lange, slanke kolommen van materialen als staal, beton of hout, die in de grond worden geheid of geboord. Geboorde schachten, ook wel caissons of boorpalen genoemd, zijn ter plaatse gestorte betonnen elementen met een grote diameter die ondersteuning bieden voor zware lasten en zijdelingse krachten. Deze diepe funderingssystemen worden vaak gebruikt bij de constructie van wolkenkrabbers, bruggen en andere grootschalige infrastructuurprojecten, waar ondiepe funderingen mogelijk niet voldoende ondersteuning bieden. De selectie en het ontwerp van diepe funderingen worden geleid door geotechnische engineeringprincipes, waarbij grondmechanica en rotsmechanica worden bestudeerd om de prestaties en veiligheid van de fundering te waarborgen (Das, BM, & Sivakugan, N. 2016).

Bodemmechanica en geotechniek in funderingsontwerp

Grondmechanica en geotechnische principes spelen een cruciale rol bij het funderingsontwerp van bouwprojecten. Deze disciplines omvatten de studie van bodemeigenschappen, gedrag en interactie met constructies, die rechtstreeks van invloed zijn op de selectie en het ontwerp van geschikte funderingssystemen. Het primaire doel is ervoor te zorgen dat de fundering de opgelegde belastingen van de constructie veilig kan dragen zonder overmatige zetting of instabiliteit te veroorzaken.

Een van de belangrijkste aspecten van geotechniek is de karakterisering van bodemeigenschappen, zoals sterkte, samendrukbaarheid en doorlaatbaarheid, door middel van veldonderzoek en laboratoriumtesten. Deze informatie wordt gebruikt om het draagvermogen van de grond te bepalen, wat een kritieke parameter is bij het ontwerpen van funderingen. Bovendien analyseren geotechnische ingenieurs het potentieel voor bodemgerelateerde gevaren, zoals liquefactie, instabiliteit van hellingen en uitgestrekte bodems, die de prestaties van de fundering nadelig kunnen beïnvloeden.

Door grondmechanica en geotechnische principes te integreren, kunnen ingenieurs het meest geschikte funderingstype (ondiep of diep) selecteren en de funderingselementen (bijv. funderingen, palen of caissons) ontwerpen om de stabiliteit en levensduur van de constructie te waarborgen. Bovendien helpen deze principes bij het aanpakken van omgevingsfactoren en het beperken van potentiële risico's die samenhangen met de interactie tussen bodem en structuur, wat uiteindelijk bijdraagt ​​aan de algehele veiligheid en duurzaamheid van de gebouwde omgeving.

Methoden en materialen voor funderingsconstructies

Moderne funderingsconstructiemethoden en -materialen zijn geëvolueerd om verschillende bodemgesteldheden, structurele vereisten en omgevingsfactoren aan te pakken. Ondiepe funderingen, zoals gespreide funderingen en plaat-op-grond funderingen, worden vaak gebruikt voor constructies met lichtere belastingen en stabiele bodemgesteldheid. Deze funderingen bestaan ​​meestal uit betonnen stroken of blokken die zich uitstrekken tot onder de vorstgrens, waardoor het gewicht van de constructie wordt overgebracht op de grond of het gesteente (Winter et al., 2016).

Diepe funderingen worden daarentegen gebruikt wanneer ondiepe funderingen onvoldoende zijn vanwege zwakke of onstabiele bodemgesteldheid. Paalfunderingen, boorschachten en caissons zijn voorbeelden van diepe funderingstechnieken. Bij paalfunderingen worden lange, slanke kolommen van staal, beton of hout in de grond geheid of geboord om belastingen over te dragen naar diepere, stabielere grondlagen of gesteente (Das, 2010). Geboorde schachten en caissons zijn ter plaatse gestorte betonnen elementen met een grote diameter die zich diep in de grond uitstrekken en die zware lasten ondersteunen en zijdelingse krachten weerstaan ​​(O'Neill & Reese, 1999).

Naast traditionele materialen zoals beton, staal en hout, worden innovatieve materialen zoals geosynthetics en vezelversterkte polymeren steeds vaker gebruikt in funderingstechniek om de prestaties en duurzaamheid te verbeteren (Koerner, 2012; Nanni, 2003).

Stabiliteits- en afwikkelingsproblemen van de stichting

Funderingsstabiliteit en zettingsproblemen bij bouwprojecten worden door verschillende factoren beïnvloed. Een primaire factor is het grondtype en het draagvermogen, die bepalend zijn voor het vermogen van de fundering om het gewicht van de constructie te dragen zonder overmatige zetting of falen (Das, 2010). Bovendien kunnen de aanwezigheid van grondwater en de fluctuaties daarvan leiden tot veranderingen in de bodemeigenschappen, waardoor de prestaties van de fundering worden beïnvloed (Coduto et al., 2011).

Externe belastingen, zoals die van aangrenzende constructies of bouwactiviteiten, kunnen ook de stabiliteit van de fundering beïnvloeden. Bovendien kunnen omgevingsfactoren, waaronder aardbevingen, overstromingen en temperatuurveranderingen, verschillende zettingen veroorzaken en de integriteit van de stichting in gevaar brengen (Briaud, 2013). Een goed funderingsontwerp, rekening houdend met deze factoren en het toepassen van geotechnische principes, is cruciaal om de stabiliteit en prestaties van de constructie op de lange termijn te waarborgen.

Omgevingsfactoren die van invloed zijn op funderingen

Omgevingsfactoren spelen een belangrijke rol bij de stabiliteit en prestaties van funderingen in bouwprojecten. Een cruciale factor is het grondtype, aangezien verschillende bodems verschillende draagvermogens hebben, wat van invloed is op de keuze van het funderingstype en ontwerp (Bowles, 1996). Bovendien kunnen grondwaterstanden de stabiliteit van de fundering aantasten, aangezien hoge grondwaterstanden kunnen leiden tot hydrostatische druk op funderingsmuren, wat potentiële structurele problemen kan veroorzaken (Coduto et al., 2011). Het klimaat heeft ook invloed op de prestaties van funderingen, met factoren als temperatuurschommelingen, vorst en neerslag die de bodemeigenschappen en de zetting van funderingen beïnvloeden (Holtz & Kovacs, 1981). Seismische activiteit is een andere omgevingsfactor waarmee rekening moet worden gehouden, aangezien aardbevingen aanzienlijke grondbewegingen en bodemvervloeiing kunnen veroorzaken, wat kan leiden tot het falen van funderingen (Kramer, 1996). Ten slotte kunnen door de mens veroorzaakte factoren, zoals bouwactiviteiten in de buurt en veranderingen in landgebruik, de lokale omgeving veranderen en de stabiliteit van de fundering beïnvloeden (Das, 2007). Concluderend, het begrijpen en aanpakken van deze omgevingsfactoren is essentieel voor het ontwerpen en bouwen van funderingen die de stabiliteit en prestaties van constructies op de lange termijn garanderen.

Inspectie, onderhoud en reparatie van funderingen

Inspectie, onderhoud en reparatie van funderingen zijn cruciale aspecten om de levensduur en stabiliteit van een constructie te waarborgen. Inspectiemethoden omvatten visueel onderzoek, geotechnisch onderzoek en niet-destructieve testtechnieken zoals gronddoordringende radar en ultrasoon testen. Deze methoden helpen bij het identificeren van potentiële problemen zoals scheuren, verzakkingen en waterinfiltratie (O'Connor et al., 2017).

Onderhoud van funderingen omvat regelmatige controle van de structuur en de omgeving, het aanpakken van drainageproblemen en het zorgen voor een goede bodemverdichting. Bij het plannen van onderhoudswerkzaamheden is het essentieel rekening te houden met factoren als bodemsoort, grondwaterstanden en omgevingsomstandigheden (Das, 2010).

Reparatiemethoden voor funderingen zijn afhankelijk van het type en de ernst van de schade. Gangbare technieken zijn onder meer onderschoeiing, waarbij de bestaande fundering wordt versterkt door deze door te trekken naar een stabielere grondlaag; grouting, waarbij een cementachtig of chemisch mengsel in de grond wordt geïnjecteerd om de eigenschappen ervan te verbeteren; en de installatie van spiraalvormige pijlers of micropalen om de fundering extra te ondersteunen (Tomlinson & Woodward, 2008). In alle gevallen is het van cruciaal belang om ervaren geotechnische ingenieurs en constructeurs te raadplegen om de meest geschikte reparatiemethode voor een specifieke situatie te bepalen.

Casestudy's en voorbeelden van funderingstechniek

Funderingstechniek is gebruikt in verschillende opmerkelijke projecten over de hele wereld, wat het belang aantoont van goed ontworpen funderingen voor het waarborgen van structurele stabiliteit. Een voorbeeld hiervan is de Burj Khalifa in Dubai, 's werelds hoogste gebouw, dat gebruik maakt van een diep funderingssysteem bestaande uit 194 geboorde palen die zich 50 meter in de grond uitstrekken om het enorme gewicht van de structuur te dragen (Al-Homoud, 2007). Een andere casestudy is de constructie van het viaduct van Millau in Frankrijk, 's werelds hoogste brug, waarvoor het gebruik van diepe funderingen in de vorm van geboorde schachten met een grote diameter nodig was om de brugpijlers te ondersteunen en zijdelingse belastingen te weerstaan ​​(Baker et al., 2004). . Bij de constructie van het Sydney Opera House in Australië werd daarentegen gebruik gemaakt van een ondiep funderingssysteem, bestaande uit een reeks betonnen blokken en balken, om het gewicht van het gebouw gelijkmatig over de onderliggende grond te verdelen (Murray, 2004). Deze voorbeelden demonstreren het brede scala aan funderingstechnieken die in verschillende projecten worden gebruikt, en benadrukken het belang van het selecteren van het juiste funderingstype op basis van locatiespecifieke omstandigheden en structurele vereisten.