Karakteristieken. (Geldig voor een staafdiameter van 16 mm) ASTM test Min. Grenswaarde

Transcriptie

1 ASLAN 100 GFRP Karakteristieken MATERIAALKARAKTERISTIEKEN Materiaalkarakteristieken voor het ontwerpen van gewapende betonconstructies. In tegenstelling tot staalwapening zijn glasvezelwapeningsstaven anisotroop en is de lengteas de sterkste as. Factoren zoals het volume en het type glasvezel, volume en type hars, de oriëntatie van de vezel, de diameter, de kwaliteitscontrole gedurende productie en de productie-methode spelen een rol in het bepalen van de typische productkarakteristieken. Bovendien zijn de mechanische eigenschappen van FRP-staven, zoals alle structurele materialen, onderhevig aan factoren zoals belastingsgeschiedenis, belastingsduur, temperatuur en vochtigheid en dit heeft ook invloed op het gebruik. De bouwkundige eigenschappen van Aslan 100 GFRP glasvezelwapeningsstaven in gewapend beton worden hieronder beschreven om de ontwerper te helpen het gedrag van dit type wapening beter te verstaan en het correcte gebruik ervan af te leiden. TECHNISCHE GEGEVENS (Geldig voor een staafdiameter van 1 mm) ASTM test Min. Grenswaarde Karakteristieke aanhechtingssterkte Penn State methode 11, MPa Karakteristieke treksterkte D391/D38 55 MPa Karakteristiek afschuifsterkte D MPa E-modulus trek D391/D MPa Barcol hardheid D Di-elektrische sterkte D149 14,4 kv/mm Di-elektrische constante D150 5,4 Doorslagweerstand D sec. Glasinhoud in gewicht D % Dichtheid D kg/m³ Water absorptie D570 0,05% Uitzettingscoëfficiënt i/d langsrichting D9-10 x 10 - Uitzettingscoëfficiënt i/d dwarsrichting D x 10 - Aalsmeerderweg 249 P Tel.: +31 (297) 3774 Fax: +31 (297) Rabobank Nr Postbus 133 info@sp-reinforcement.nl KvK Nr Amsterdam 1430 AC Aalsmeer Internet: www. sp-reinforcement.nl BTW nr NL B01

2 De treksterkte varieert met de diameter. Als groter wordt, ontwikkelt zich een afschuivingvertraging bij grotere diameters (zie verder). De variatie in elasticiteitsmodulus van staven met een verschillende diameter is zeer klein en de waarde kan voor alle diameters gelijk gesteld worden aan 40.8 GPa. AANHECHTINGSSTERKTE De aanhechtingssterkte van glasvezelwapeningsstaven aan beton is gebaseerd op uittrektesten uitgevoerd volgens de Penn State methode hieronder beschreven. Deze methode is eenvoudig te herhalen en geeft een indicatie van de relatieve prestaties. Met bekistingsplaten wordt een betonblok gegoten rond staven van 1 meter lengte zoals op onderstaande tekening: Verankeringslengte Betonblok GFRP staaf Vrij Uiteinde Belast uiteinde Aanhechtingsbrekers De aanhechtingsbrekers zijn stukken zachte plastieken slang die rond de staaf geplaatst worden om te verhinderen dat er hechting is tussen de staaf en het beton. De verankeringslengte wordt gelijk genomen aan 5 x de diameter. Het gebruikte beton heeft een 14 dagen druksterkte van typisch 45 MPa. Eerder onderzoek heeft uitgewezen dat de aanhechtingssterkte niet veel varieert in functie van de beton-samenstelling, zolang men er voor zorgt dat de betonblok voldoende groot is om een splijting te voorkomen. De belastingen worden gemeten met de elektronische cel van de testbank en de verschuiving tussen het blok en het beton wordt gemeten met verplaatsingsopnemers, 3 aan elke kant. Terwijl de verplaatsingsopnemers aan het vrije uiteinde een directe indicatie zijn van een mogelijke verschuiving moeten de metingen aan het belaste eind gecorrigeerd worden met een factor voor de verlenging van de staaf tussen het begin van de verankering en de meetpunten. Als een wapeningsstaaf in beton verwerkt is wordt de aanhechting overgebracht via de aanhechtingsweerstand van het raakvlak, de wrijvingsweerstand van het raakvlak tegen verschuivingen, het afschuivingseffect te danken aan de onregelmatigheid van het raakvlak. Bovendien wordt de aanhechtingskracht via de harsmatrix overgebracht op de FRP vezels. Een breuk in aanhechting of afschuiving van de matrix is ook mogelijk. Het unieke oppervlaktepatroon van de glasvezelwapeningsstaven is zeer effectief in het overbrengen van de lasten naar het beton. De wrijving en het mechanisch ineengrijpen worden als de voornaamste reden van spanningsoverdracht beschouwd.

3 Typische belastings-verschuivings curve van GFRP-beton. Belasting kn Verschuiving aan belast einde O Verschuiving aan vrij einde Aanhechtingssterkte (Mpa) Verschuiving De aanhechtingseigenschappen van glasvezelwapeningsstaven zijn onderzocht in verschillende laboratoria en met verschillende testprocedures: trektesten, splijttesten en cantilever testen om de formule te vinden die toegepast moet worden om de verankeringslengte te bepalen. Gebaseerd op beschikbare proefresultaten kan volgende formule voor de nodige verankeringslengte gebruikt kan worden: l d = waarin: A GFRP fgfrptk x 38 A GFRP f ck = doorsnede van de staaf (mm²) ƒ GFRP tk = treksterkte van de staaf (MPa) ƒ ck l d = druksterkte van beton (MPa) = benodigde verankeringslengte (mm) Typische spanning/rek-curve voor GFRP (VOORBEELD IS STAAF VAN 1 CM DIAMETER) SPANNING (MPa) E = 40,798 GPa ,005 0,01 0,015 0,02 0,025 Rek %

4 TREKSTERKTE EN ELASTICITEITSMODULUS IN TREK In tegenstelling tot staalwapening bereiken glasvezelwapeningsstaven hun uiterste sterkte zonder in een vloeifase over te gaan. De relatie tussen spanning en rek van een typische staaf gemaakt uit vezels (glas zowel als koolstof of aramide) kan voorgesteld worden door een bijna rechte lijn die stopt wanneer de maximum spanning bereikt is. (zie bovenstaande figuur). De relatie tussen spanning en rek van een typische staaf gemaakt uit vezels (glas zowel als koolstof of aramide) kan voorgesteld worden door een bijna rechte lijn die stopt wanneer de maximum spanning bereikt is. (zie figuur). Een tweede verschil met stalen staven is dat de treksterkte van de FRP-staaf afhankelijk is van de diameter van de staaf en het verankeringssysteem gebruikt bij de testen. Omwille van de afschuivingsvertraging (shear lag) worden de vezels in het centrum van de staaf niet blootgesteld aan dezelfde spanning als de vezels aan de buitenkant (Faza, 1991). Dit fenomeen leidt tot een gereduceerde sterkte en efficiëntie van staven met een grote diameter. We moeten ook onthouden dat belangrijke variaties genoteerd kunnen worden bij product-testen omwille van de spanningsconcentraties in het verankeringssysteem. Een verankeringssyteem moet in staat zijn de volledige kracht van de staaf te laten ontwikkelen alvorens er een breuk optreedt in de mal van het testmonster. De ACI (American Concrete Institute) ontwikkelt momenteel standaard test-methoden voor het meten van treksterkte en E-moduli van composieten. Spanningseigenschappen van glasvezelwapeningsstaven zijn hieronder in een tabel samengevoegd. Voor ontwerpoverwegingen moet men de waarden beschouwen als de gegarandeerde ontwerpwaarden voor de verschillende maten van glasvezelwapening. Deze waarden worden berekend als de gemiddelde waarde min 3 maal de standaarddeviatie. Typische spanningseigenschappen voor glasvezelwapeningsstaven Staal Aslan Glasvezelastaven Treksterkte MPa * Vloeisterkte MPa (BE400, 500, Dywidag) N/A Elasticiteitsmodulus GPa ,8 Uiterste rek 10 % 2 % * Variaties zijn gebaseerd op verschillende staafdiktes (interlaminaire afschuiving). STERKTE GLASVEZELWAPENING MET BOCHTEN Glasvezelwapeningsstaven zijn gemaakt met thermo-hardende harsen. De staven kunnen niet meer op de werf gebogen worden vermits deze harsen dan reeds uitgehard zijn. Bochten en beugels worden dus in de fabriek geproduceerd. Beugels en bochten vertonen een reductie in treksterkte ven 0% t.o.v. rechte staven. In experimentele proeven werd gevonden dat deze reductie afhankelijk is van de diameter van de staaf en van de kromming van de bocht. (JSCE Code 1997). Ook varieert de sterkte van het gebogen deel in functie van de gebruikte buigtechniek, het type hars en het type vezel. SPECIFIEK GEWICHT Glasvezelwapeningsstaven hebben een specifiek gewicht van 1,9 kg/dm³ en zijn dus ongeveer 4 x lichter als staal dat 7,9 kg/dm³ weegt. Thermische uitzettingscoëfficiënt Vermits het product anisotroop is, is deze waarde verschillend voor de langs- en de dwarsrichting: Langs-coëfficiënt: -10 x 10 - / C Dwars x 10 - / C Het roesten van staal heeft een dwarsuitzetting tot gevolg die ongeveer 100 x groter is dan de uitzetting van glasvezelwapening in de dwarsrichting. Kruip Glasvezels hebben een excellente weerstand tegen kruip, terwijl dit niet zo is voor de meeste harsen. Dit betekent dat de oriëntatie en het volume van de

5 vezels een belangrijke invloed hebben op de kruipprestaties van composiet wapeningsstaven. Studie rapporteren dat voor een GFRP-staaf van hoge kwaliteit, de bijkomende spanning door kruip geschat werd op 3% van de initiële elastische spanning (Iyer en Anigol 1991). In ongunstige omgevingsomstandigheden kunnen FRP-staven, blootgesteld aan een constante belasting plotseling, na een bepaalde tijdsperiode, de uithoudingstijd, afknappen. Alle bouwmaterialen, alsook staal en beton, die gedurende lange tijd aan een constante last worden blootgesteld kunnen plotseling begeven. Dit fenomeen is bekend als breuk door kruip. Staal kan echter voor onbepaalde tijd weerstaan aan de typische spanningsbelastingen die ongeveer 75% bedragen van de uiterste grensspanning en dit zonder enig verlies van sterkte of zonder breuk. Fysische eigenschappen Staaf diameter (USA class.) GFRP-staaf diameter (mm) Nominale diameter (mm) Kruiptesten uitgevoerd op GFRP composieten met verschillende diameter door Bundelmann & Rostasy in Duitsland in 1993 hebben uitgewezen dat breuk door kruip in glasvezelwapening niet zal plaatsvinden als de volgehouden spanningen gelimiteerd worden tot 0% van de korte-termijn spanningen. Dit is ook de reden waarom het gebruik van glasvezelwapeningsstaven niet aangewezen is bij voorgespannen wapening. Bovendien kunnen andere omgevingsfactoren, zoals vocht, breuk door kruip beïnvloeden. De ACI 440 berekeningrichtlijnen adviseren daarom dat de toegelaten spanning 20% van de minimum uiterste treksterkte bedraagt. Vermoeiing Composieten vertonen een goede vermoeiingsweerstand zoals gerapporteerd in testen van de luchtvaartindustrie. Recent is bijkomend onderzoek verricht op FRP-staven in gewapend beton. Glasvezelwapening blootgesteld aan vermoeiingscycli toonden geen sporen van aantasting of een vermindering van sterkte. Doorsnede (mm²) Treksterkte (MPa) Elasticiteitsmodulus (GPa) #2,35 31, ,8 #3 9 9,53 71, ,8 # ,70 12, ,8 #5 1 15,88 197, ,8 # 19 19,05 285, ,8 # ,23 387, ,8 # ,40 50, ,8 # ,58 41, ,8 # ,75 791, ,8 DOORSNEDE VAN DE STAAF Het productieproces van glasvezelwapeningsstaven zou er toe kunnen leiden dat de dwarsdoorsnede niet overal exact hetzelfde is. Dit heeft geen effect op de sterkte eigenschappen daar er overal dezelfde hoeveelheid vezel zit. Enkel de hoeveelheid hars dat de vezels samenhoudt en beschermt kan variëren. De dwarsdoorsnede van glasvezelwapeningsstaven wordt bepaald door een staaf in water onder te dompelen en het volume te meten van het verplaatste water. Nominale diameter De nominale diameter is de gemiddelde diameter en veronderstelt dat de staaf rond is.

6 BESCHIKBARE BOCHTEN US-BENAMING Diameter v/d staaf (mm) (afgerond) Minimum Diameter v/d bocht (cm) #2 7,50 # # #5 1 11,50 # 19 11,50 # ,00 # ,00 # ,00 # ,00 DUURZAAMHEID Eén van de hoofdvoordelen van glasvezelwapening ten opzichte van traditioneel betonstaal is zijn duurzaamheid. Er is echter maar een beperkte hoeveelheid ervaringsgegevens voorhanden daar het gebruik van glasvezel als betonwapening van recente origine is (1995). over 50 jaar, glasvezelwapening slechts 1% verlies in treksterkte heeft en een 4% vermindering in elasticiteitsmodulus. De wapening werd blootgesteld aan een verzadigde oplossing van Calcium Hydroxide Ca(OH) 2 met een ph van 13 en dit op 80 C en gedurende 28 dagen. TESTEN EN GOEDKEURINGEN Versnelde verouderingsproeven met glasvezelwapening aan de Penn State University van Iowa (USA) en aan de Université de Sherbrooke, Quebec (Canada) hebben uitgewezen dat, na gesimuleerd gebruik Te bekomen op aanvraag. Rekenvoorbeeld Vraag ons rekenvoorbeeld

7 Indien nodig voor esthetische redenen kan men een verloren bekisting in dezelfde houtsoort als de originele balk op de gepaste plaats aanbrengen. Of bekisting tijdelijk aanbrengen die na de werken weer verwijderd kan worden. Het hout moet droog zijn en tijdens de werken een lage vochtigheidsgraad hebben (zie richtlijnen van de leverancier). Bescherm de werkzone tegen vochtigheid zodat de epoxy goed kan uitharden. Vullen van de bekisting met een traaghardende krimpvrije epoxymortel. Na uitharding van de epoxymortel wordt de gladde bekisting verwijderd. Het hout kan dan behandeld, geprofileerd en gekleurd worden in functie van het originele balkhout. De verloren bekisting blijft op zijn plaats natuurlijk. Na 7 dagen kunnen de schoren verwijderd worden en de balk opnieuw belast. Verwerking en plaatsing Het wordt aangeraden werkhandschoenen te dragen bij het verwerken en plaatsen van glasvezelwapeningsstaven. Deze kunnen op lengte gebracht worden met een slijpschijf. Het dragen van een stofmasker en een veiligheidsbril zijn aangeraden. Rapporten ter inzage verkrijgbaar. Testrapport van K.U.Leuven : pull out testen van Aslanstaven ingelijmd in houten balken.