Uitwendig gelijmde wapeningen Context, concept en keuze

Transcriptie

1 Uitwendig gelijmde wapeningen Context, concept en keuze Deel 1 - Theoretische en materiaalkundige grondslagen Prof. dr. ir. Dionys Van Gemert Departement Burgerlijke Bouwkunde, K.U.Leuven Dr. ir. Kris Brosens Ir. Sven Ignoul Triconsult N.V. Studiedag De Neef Conchem / De Neef Engineering Heist-op op-den-berg, 27 Februari 2003

2 Toepassingsgebieden Gebrek aan onderhoud en bescherming Aanpassing van normen Bewuste ingrepen Uitbreiding van het gebouw Gebruikers Verhoging van verkeerslasten en -volume op bruggen Verandering in gebruik van het gebouw Explosies Brand Overstroming Staal corrosie Aardbevingen Omgevingsinvloeden en ongelukken Chemisch agressieve omgeving Uitwendig gelijmde wapening Ontbreken van grondonderzoek Ontwerp en uitvoering Slechte kwaliteit van gebruikte materialen Foutieve of slechte uitvoering Fouten in het ontwerp of plan

3 Bouwmateriaal Structuurgegevens Beton: gewapend of spanbeton Metselwerk Hout Metaal

4 Type structuurelement Balk Plaat Isotroop: Structuurgegevens Gewapend beton Orthotroop: Ribbenvloer Welfsels (potten, voorplaten,, ) Dragende muur Gewelf Kolom Console

5 Structuurgegevens Krachtswerking op het structuurelement Buigmoment Dwarskracht Torsiemoment Normaalkracht: : trek - druk Splijting Knik Pons Zwelling (ASR,...)

6 Versterkingsmateriaal Stalen plaatelementen Kwaliteit: : Fe360, Fe 430, Fe 510 Vezelversterkte materialen Toepassingsvorm Legsels, Laminaten Vezelmateriaal Koolstof, Glas, Aramide, Hybride Matrixmateriaal Lijm: Epoxy, Vinylester EP-PU PU (Seismisch, Impact) Omzendbrief V576-B5 ATG (in voorbereiding)

7 Eigenschappen van de vezels CFRP Spanning [N/mm²] AFRP GFRP 500 Stalen plaat Rek [%]

8 Passief Werkingsprincipe Versterken en/of verstijven voor bijkomende belasting Actief Voorspannen Ontlasten vóór verlijming

9 Extra aandachtspunten Corrosiebescherming Staal: Vezels: Roestbescherming UV-bescherming Brandbeveiliging Bij actieve versterking

10 Ontwerpberekeningen Basis = Eurocode 2 (NBN B15-002) Verankeringen: gebaseerd op wetenschappelijk onderzoek Betonkwaliteit Lijmkwaliteit Vezels of staal Oppervlaktevoorbereiding Zuivere adhesie en/of mechanische verankering

11 Uiterste grenstoestand Grenstoestanden volledig bezwijken van de betonstruktuur werkt met een lineair verloop van de rekken over de doorsnede Gebruiksgrenstoestand beperken van vervormingen, doorbuigingen en trillingen ivm het gebruikscomfort werkt met een lineair verloop van de spanningen over de doorsnede

12 Uiterste grenstoestand Partiële veiligheidsfactoren Belasting: F d = g f F k permanente lasten γ G = 1.35 mobiele belasting γ Q = 1.5 Materialen: X d = X k /g k beton γ b = 1.5 wapeningsstaal γ s = 1.15 plaatstaal γ s = 1.1 CFRP γ CFRP = 2.25

13 Uiterste grenstoestand b A!,! c,! c1,! c0 *! F A! "d " n d " 0 d F c! >!d h d A *, s0, s1, s F A F An glue A n a b c, An

14 Gebruiksgrenstoestand Maximale spanningen (Eurocode 2) Beton: 0.5 of 0.6 f ck Staal: 0.8 f yk CFRP: f CFRPk / 2.25 Maximale doorbuiging Ductiliteit

15 Gebruiksgrenstoestand

16 Zwembad Kalmthout Buigmoment

17 Faalmechanismen P Gewone dwarskrachtbreuk Scheur 1 Scheur 2 P Plaateinde-afschuifbreuk Delaminatiebreuk (Delamination failure) Plaateinde-afschuifbreuk afschuifbreuk (Plate end shear failure) (Jansze & Ahmed)

18 Faalmechanismen P Gewone dwarskrachtbreuk Scheur 1 Scheur 2 P Plaateinde-afschuifbreuk Delaminatiebreuk (Delamination failure) Plaateinde-afschuifbreuk afschuifbreuk (Plate end shear failure) (Jansze & Ahmed)

19 Faalmechanismen P Gewone dwarskrachtbreuk Scheur 1 Scheur 2 P Plaateinde-afschuifbreuk Delaminatiebreuk (Delamination failure) Plaateinde-afschuifbreuk afschuifbreuk (Plate end shear failure) (Jansze & Ahmed)

20 Twee gevallen Zuivere afschuiving Gecombineerde dwarskracht/buiging P P J J + F Schuifspanning Schuifspanning Normaalspanning

21 Zuivere afschuiving Differentiaalvergelijking van Volkersen d 2 s l dx 2 & 1 % m l? l E l h l f (s l ) 0? l A l A c m l E l E c J l G f m t l ds l Nmm mm 2 G f s l

22 τ l - s l verbanden J l J lm I: t l t lm s lm s l II: t l 0 G f t lm s lm 2 J l J lm I: t l t lm s lm s l II: t l t lr III: t l 0 G f t lm s lm 2 % t lr (s l0 & s lm ) J l J lm I: t l t lm s lm s l II: t l t lm III: t l 0 G f t lm (s l0 & s lm 2 ) J lr I II I II III I II III s lm s l s lm s l0 s l s lm s l0 s l J l J lm I: t l t lm s lm s l II: t l t lm s l0 & s l s l0 & s lm III: t l 0 J l J lm I: t l t lm s l s lm II: t l 0 G f t lm s lm 1%a a J l J lm s & s l % 1 I: t l t l s lm. e lm s lm G f t lm s lm e G f t lm s l0 2 I I s lm II s l0 III s l I s lm II s l s lm s l

23 Opstelling afschuifproef

24 Het proefstuk na breuk

25 Slip s lm Modelparameters J l J lm s s concrete % s epoxymortar % n s epoxy resin % n s CFRP Epoxy resin I s lm II s l0 III s l Carbon fibres Epoxy resin h g Epoxy mortar

26 Modelparameters Schuifspanning τ lm J l J lm t lm k b k c Zuivere trek f ctm f cm f ctm % f cm J lm J Mohr-Coulomb breuklijn A P P I s lm II s l0 III s l F Detail A F F x J J y = 0 F x f ctm J J F y = 0 Zuivere druk

27 Pull off test

28 Pull off test

29 Overdraagbare kracht en ankerlengte t lm b l l b l 2 G f E l h l x CFRP P P l 20 F max (kn) 15 P(l) E l A l?? s l0 sin(?? (l&x p )) 1 % m l? l Verbindingslengte l (mm) l t 2? % Atan?? tanh (2)?

30 Enkelvoudige buiging P/2 P/2 x J Anch J l J Jour J Jour t lmax h l b 3? % b 2 J Anch F l F Anch F Anch F Nav

31 Versterken met staal Slechts in één richting Versterken van platen Gewapende betonnen plaat = isotroop Plaat wordt orthotroop: Eén richting overversterken teneinde andere richting te ontlasten

32 Versterken van platen Gewapende betonnen plaat = isotroop Versterken met staal a Onversterkte isotrope plaat a Versterkte orthotrope plaat

33 Versterken met staal Versterken met CFRP Versterken van platen Gewapende betonnen plaat = isotroop Beide richtingen kunnen versterkt worden zodat plaat isotroop blijft

34 Versterken met staal Versterken met CFRP Versterken van platen Gewapende betonnen plaat = isotroop Delhaize Denderleeuw (2001)

35 Dwarskrachtversterking Vakwerkanalogie van Mörsch V wd A sw s s 0.9 d f ywd (1 % cotg a) sin a % A extw s ext 0.9 d f extd (1% cotg a) sin a

36 Dwarskrachtversterking Vakwerkanalogie van Mörsch V wd A sw s s 0.9 d f ywd (1 % cotg a) sin a % A extw s ext 0.9 d f extd (1% cotg a) sin a Uitwendig aangebrachte stalen beugels Cultureel centrum Ninove (1994)

37 Beugels Gesloten beugel Verankering doorheen de balk Verankering doorheen de flens van een T sectie

38 Dwarskrachtversterking Vakwerkanalogie van Mörsch V wd A sw s s 0.9 d f ywd (1 % cotg a) sin a % A extw s ext 0.9 d f extd (1% cotg a) sin a CFRP laminaten als bijkomende dwarskrachtwapening (continu) Koolstofvezels onder een hoek van 45 Dwarskrachtscheur (45 ) Dwarskrachtscheur (45 ) Orthogonaal net van koolstofvezels (horizontaal & verticaal)

39 Stadsbibliotheek Leuven (1998) Hybride versterking

40 Omsnoering van een gescheurde kolom

41 Beschermende coating

42 Tiendenschuur Herckenrode

43 Tiendenschuur Herckenrode

44 Versterking tegen impact

45 Besluit Uitwendige wapeningen zijn een betrouwbare en eenvoudige techniek voor versterking van constructies,, op voorwaarde dat het ontwerp wetenschappelijk gefundeerd is de ontwerpregels experimenteel geverifieerd werden het aanbrengen nauwgezet en deskundig gebeurt met gecertifieerde materialen en gecertifieerd personeel Met kennis is de oplossing eenvoudig, zonder kennis lijkt de oplossing eenvoudig