(Fr.: béton armé; Du.: Stahlbeton; Eng.: reinforced concrete), bouw- en constructiemateriaal verkregen door een zinvolle combinatie van beton en een daarin opgenomen wapening (gewoonlijk staal, vroeger ijzer) meestal in de vorm van ronde staven of van vooraf vervaardigde gepuntlaste wapeningsnetten.
De mogelijke toepassingen van andere wapeningsmaterialen (bijv. ovale of vierkante stalen staven, profielstaal of bamboe) en van vezels (staal, glas, kunststof: vezelversterkt beton; ook asbest: zie Asbestcement) blijven hier buiten beschouwing, hoewel zij in principe dezelfde functie hebben: het wapenen, d.w.z. het versterken, van het materiaal beton.
In gewapend beton worden de gunstige eigenschappen van het beton (grote druksterkte) en van het staal (grote treksterkte) samengevoegd: beton en staal, onderling zeer verschillend, worden gecombineerd tot een ‘samengesteld materiaal’. Het staal moet de functie van het beton overnemen waar dit te kort schiet, namelijk bij het opnemen van trekspanningen. Daartoe wordt de wapening voornamelijk in de trekzone aangebracht; de toepassing in de drukzone komt veel minder voor (hoofdzakelijk als ‘drukwapening’ in betonkolommen). Door combineren verdwijnen of verminderen de minder gunstige eigenschappen van beide materialen (o.a. de vrij geringe treksterkte van het beton en de corrosie-gevoeligheid van het staal). Van essentieel belang is de samenwerking tussen het beton en het daarin aanwezige staal, zodat beide componenten van het gewapend beton dezelfde vervormingen zullen ondergaan. Deze samenwerking is mogelijk dank zij de nagenoeg gelijke thermische uitzettingscoëfficiënt (12 × 10−6 °C−1) en de aanhechting van het staal aan het beton (kleefwerking en vooral wrijving), die nog sterk verbeterd kan worden door het staal van een profilering te voorzien (geprofileerd of geribd staal) of door het aanbrengen van haken, dwarsstaven enz.
Daar het staal volledig door beton omhuld wordt is het roesten ervan uitgesloten, mits het beton voldoet aan bepaalde eisen: voldoende dichtheid (betonkwaliteit) en dikte (betondekking op de wapening), een zodanige betonsamenstelling (o.a. voldoende cement) dat aan het staal blijvend een alkalisch milieu wordt gegeven, en een beperkte wijdte van de haarscheuren die gewoonlijk in gewapend beton voorkomen.
Wapening.
Ronde wapeningsstaven (betonstaal), veelal geprofileerd, worden geleverd met een dwarsdoorsnede van 6 resp. 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32 en 40 mm, overeenkomstig de CEB-‘voorkeurreeks’ (NEN 6008: Staal voor gewapend beton; Voorschriften Beton VB 1974), en in staaflengten van 12 resp. 14 en 16 m.
Gepuntlaste wapeningsnetten, fabriekmatig vervaardigd, bestaan uit langs- en dwarsstaven, veelal met verschillende doorsnede (4...14 mm, soms meer), met rechthoekige of vierkante mazen: standaardafmetingen tot maximaal 2,80 × 12 m.
Volgens NEN 6008 en de Euronorm 80-69 wordt wapeningsstaal aangeduid met de letters FeB, gevolgd door het getal dat de gewaarborgde (minimum)vloeigrens of 0,2-rekgrens aangeeft (in Nmm−2). In de VB 1974 worden slechts drie staalsoorten (staalkwaliteiten) onderscheiden: een zachtstaalsoort (FeB 220, niet-geprofileerd) en twee hoogwaardige staalsoorten (FeB 400 en FeB 500, geprofileerd), waarvan de grotere sterkte voornamelijk is verkregen door een hoger massagehalte koolstof (ca. 0,2...0,3%, tegen ca. 0,1% bij FeB 220).
Er wordt voorts onderscheid gemaakt in de ‘leveringstoestand’, d.w.z. de wijze van vervaardiging: warmgewalst staal (aanduiding: HW), ook wel vloeistaal of natuurhard staal genoemd, en koudvervormd staal (aanduiding: HK), dat na het warmwalsen een koude vervorming heeft ondergaan, bijv. koud rekken of torderen. Het warmgewalste staal (alleen van FeB 400 en FeB 500) bezit een duidelijke vloei- of elasticiteitsgrens, die daarom als voornaamste karakteristiek wordt gebruikt. Bij het koudvervormde staal is die grens veel minder geprononceerd; daarom wordt hier de 0,2-rekgrens (0,2% blijvende rek) als karakteristiek kenmerk gehanteerd.
Volgens de VB 1974 zijn wapeningsnetten vervaardigd van de staalsoort FeB 500 (geprofileerd); leveringstoestanden HW en vooral HK.
Beton en het daarin toe te passen wapeningsstaal zijn twee zeer verschillende materialen. Evenals van beton kan van het staal een spanning-vervormingdiagram worden bepaald. Afb. 1 geeft enkele voorbeelden van spanning-rekdiagrammen. Bij de twee diagrammen van warmgewalst staal (FeB 220 HW en FeB 400 HW) is duidelijk sprake van een vloeigebied; de bijbehorende spanning is de vloeigrens. Bij het diagram van het koudvervormde staal (FeB 400 HK) is die vloeigrens niet aanwezig; daarom is hier de 0,2-rekgrens aangegeven. (In de VB 1974 staan geschematiseerde σa-εa-diagrammen voor de berekening.) Het in de afbeelding aangegeven spanning-rekdiagram van beton illustreert duidelijk het grote verschil tussen beton en wapeningsstaal wat betreft het kunnen opnemen van trekspanningen en het vervormen.
De treksterkte van het staal ligt tussen 340 Nmm−2 en ca. 600 Nmm−2 (ca. 100...400 maal de treksterkte van beton, afhankelijk van de betonkwaliteit). Voor de elasticiteitsmodulus van wapeningsstaal wordt gewoonlijk 2,1 × 105 Nmm−2 aangehouden, overeenkomend met een elastische vervorming van ca. 2‰. In het plastische gebied kunnen echter veel grotere rekken voorkomen (tot 50% en meer). Staal is ontegenzeggelijk een zeer taai materiaal: het bezit een zeer grote vervormingscapaciteit alvorens te breken. Van die eigenschap wordt in de gewapend-betontechniek dankbaar gebruik gemaakt.
Wapenen.
Het ontwerpen van een gewapend-betonconstructie omvat het dimensioneren, berekenen, controleren, detailleren en tekenen van die constructie. Dat leidt uiteindelijk ook tot de toe te passen wapening: van de gewenste kwaliteit, in de vereiste hoeveelheid en op de juiste plaats. Als globaal gemiddelde kan worden aangenomen dat de wapening meer dan een derde deel uitmaakt van de totale kosten (materialen en arbeid) van 1 m3 gewapend beton. Bij het wapenen zijn de laatste jaren de verwerkingskosten (arbeid) relatief sterker gestegen dan de materiaalkosten. Vandaar het streven naar ‘rationalisatie van de wapening’. Daarmee kan reeds in de ontwerpfase worden begonnen, bijv. door het toepassen van rechte staven en wapeningsnetten, het weglaten van haken en opgebogen staven. Voor zowel het ontwerpen als het uitvoeren van wapeningen zijn van belang de CEB-voorkeurreeks en NEN 6146; zij vormen echter slechts het begin van de beoogde rationalisatie. De wapeningsstaven en -netten worden zonodig (veelal machinaal) op de gewenste lengte geknipt; verlenging van staven worden verkregen door overlappingslassen (waarbij het omhullende beton de krachten overbrengt), door mechanische lassen (waarbij de staven door metalen hulpstukken aan elkaar worden gekoppeld) of door rechtstreekse verbindingen (elektrisch en/of autogeen uitgevoerd smelt- en druklassen). Bij wapeningsnetten worden veelal overlappingslassen gemaakt.
Het zgn. ‘vlechtwerk’ omvat verder het buigen (zoals het aanbrengen van haken en het vervaardigen van beugels), het plaatsen van hoofd- en verdeelwapening (langs- en dwarsstaven) en het onderling verbinden van elkaar kruisende staven. Op de bouwplaatsen, vooral die van enige importantie, wordt het vlechtwerk meer en meer uitgevoerd door speciale vlechtbedrijven of door gespecialiseerde vlechtploegen. Ook dit is een stap in de richting van ‘rationalisatie’. Dat geldt in nog veel sterkere mate voor de buig- en vlechtcentrales, die fabriekmatig gehele of gedeeltelijke wapeningen prefabriceren (bijv. balk- en kolomwapeningen).
Gedrag gewapend beton.
Dat het ‘brosse’ materiaal beton door de erin aangebrachte wapening een grote ‘taaiheid’ (vervormingscapaciteit) heeft gekregen, kan duidelijk worden gemaakt door een aan de einden ondersteunde gewapend-betonbalk in het midden op buiging te belasten. Tijdens het toenemen van de belasting kan het gedrag van deze balk worden gevolgd door de kromming ervan te bepalen.
Volgens de elasticiteitsleer is de kromming κ gelijk aan de reciproke waarde van de kromtestraal ϱ. Daar de krommingen betrekkelijk klein zijn, wordt hiervoor gewoonlijk als eenheid 10−6 mm−1 gebruikt. De kromming kan worden berekend uit de vervormingen van het beton (ε′b, onder druk) en van het staal (εa, onder trek):
κ = (ε′b + εa)/h
Hierin is h de nuttige hoogte. Voorts geldt:
κ = EI/M
Hierin is EI de buigstijfheid en M het buigend moment. Door de krommingen grafisch uit te zetten tegen de bijbehorende buigende momenten, wordt het momentkrommingsdiagram (M, κ-diagram) van de balk verkregen. Dit diagram, dat dus het verband tussen buigend moment en kromming geeft, blijkt goed benaderd te kunnen worden door drie rechte lijnen (afb. 2). Hierbij heeft de eerste tak betrekking op het ongescheurde stadium; zij loopt tot aan het punt waar het buigend moment zo groot wordt dat er in de trekzone scheuren in het beton beginnen te ontstaan (buigend moment = scheurmoment). De invloed van de wapening is in dit stadium nog nauwelijks merkbaar. De tweede tak, die duidelijk aantoont dat de gewapend-betonbalk nog lang niet bezweken is, heeft betrekking op het gescheurde stadium en loopt tot het punt waar het staal begint te vloeien (buigend moment = vloeimoment, dat ongeveer even groot is als het later optredende bezwijkmoment). De derde tak heeft betrekking op het plastische stadium, dat voorafgaat aan het bezwijken van de balk (het bezwijkmoment is ongeveer gelijk aan het vloeimoment).
Een op buiging belaste balk van ongewapend beton bezwijkt vrij snel (zie Beton), doordat het beton slechts een geringe treksterkte bezit; van de druksterkte is dan echter het allergrootste deel (ca. 90%) nog niet gebruikt. Wordt dezelfde betonbalk van een wapening voorzien, dan blijkt de sterkte vele malen groter te zijn. Er kan dan een buigend moment worden opgenomen dat het tienvoudige of meer bedraagt; daarbij worden de capaciteiten van beide materialen (beton en staal) optimaal benut. Ter verkrijging van een grote vervormingscapaciteit van gewapend beton is het van belang, dat een groot deel van het vloeitraject van het staal wordt doorlopen: hoe meer het staal vloeit, des te groter is de plastische vervorming van het gewapend beton. Dit ‘ideale’ bezwijkbeeld zal optreden als het wapeningspercentage tussen zekere grenzen ligt (bijv. tussen 0,3...1%). Is het wapeningspercentage te groot, dan zal het beton in de drukzone kunnen bezwijken nog voordat het staal in de trekzone gaat vloeien. Deze bovengrens wordt het maximum-wapeningspercentage genoemd; wordt deze overschreden dan is het gewapend beton nauwelijks of niet in staat om plastisch te vervormen. Is het wapeningspercentage daarentegen te laag, dan kan het gewapend beton plotseling bezwijken zodra de eerste scheur in de betontrekzone ontstaat; het scheurmoment (ongescheurd stadium) is in dat geval namelijk groter dan het bezwijk- of vloeimoment. Deze ondergrens wordt het minimum-wapeningspercentage genoemd; dit mag niet onderschreden worden.
Dit laatste geldt echter alleen voor statisch bepaalde constructies van gewapend beton. Bij statisch onbepaalde constructies, waarin de krachtsverdeling ook van het vervormingsgedrag van het gewapend beton (na scheurvorming) afhankelijk is, kan zinvol gebruik worden gemaakt van grote plastische vervormingen die het gevolg zijn van lage wapeningspercentages (hiervoor gelden beperkingen die bijv. in de VB 1974 worden gesteld). Een statisch onbepaalde constructie van gewapend beton blijkt namelijk van nature een zekere reserve te bezitten. Neem als voorbeeld een doorgaande gewapend-betonbalk op drie steunpunten. Als in een doorsnede (bijv. boven het middensteunpunt) scheuren ontstaan, dan treedt er een zgn. ‘herverdeling van momenten’ op. Andere doorsneden van de balk, die nog niet gescheurd zijn, nemen als het ware de taak van de eerstgenoemde doorsnede er gedeeltelijk bij. Deze herverdeling van de momenten, die ook in het plastische stadium (vloeistadium) optreedt, is sterk afhankelijk van de stijfheids- en sterkteverhoudingen.
Zodra in een gescheurde doorsnede het staal gaat vloeien zal hier een ‘plastisch scharnier’ (vloeischarnier) ontstaan; de hier optredende vervorming is een draaiing (rotatie). Hetzelfde gebeurt daarna ook in andere doorsneden die aanvankelijk de taak van de eerstgenoemde doorsnede hebben overgenomen.
Zodra alle mogelijke plastische scharnieren zijn ontstaan, wordt er een bezwijkmechanisme (afb. 3) gevormd. De gewapend-betonbalk bezwijkt ten slotte als in een van die vloeischarnieren het beton en/of het staal bezwijkt.
De herverdeling van de momenten, die voor het hier geschetste vervormings- en bezwijkbeeld verantwoordelijk is, heeft tot gevolg dat de constructie een groter draagvermogen blijkt te bezitten dan tot dusver werd aangehouden. Een belangrijke voorwaarde is echter, dat er inderdaad vloeischarnieren kunnen ontstaan en bovenal dat deze plastische scharnieren voldoende rotatiecapaciteit bezitten. In de betonvoorschriften staat aangegeven hoe aan deze voorwaarde kan worden voldaan.