STRUCTURELE VERSTERKING VAN BETONCONSTRUCTIES Stijn Matthys 1 en Kris Brosens 2 Op grond van sociale en economische belangen wordt vereist dat de hedendaagse bouwkundige infrastructuur (o.a. bruggen, wegen, utiliteitsbouw) betrouwbaar en functioneel is. Echter, veranderingen in de functie en de intensiteit van het gebruik, beschadigingen, enz., noodzaken naast onderhoud en herstelling dikwijls ook versterking. Het belang van geoptimaliseerde versterkingstechnieken is dan ook groot. In het artikel worden een aantal aspecten toegelicht inzake het versterken van betonconstructies en wordt nader ingegaan op de techniek van uitwendig gelijmde wapening. Deze efficiënte techniek kent de laatste jaren internationaal een zeer sterke opgang dank zij de introductie van uitwendig gelijmde vezelcomposietwapening, bijkomend aan de klassieke techniek van gelijmde staalplaten [1]. 1 Inleiding 1.1 Noodzaak van structurele versterking In de meeste geïndustrialiseerde landen is de hedendaagse bouwkundige infrastructuur (bruggen, wegen, utiliteitsbouw, enz.) in zeer belangrijke mate uitgebouwd. Het onderhouden, herstellen en versterken van structurele elementen is dan ook van groot belang en brengt jaarlijks belangrijke investeringen met zich mee. De noodzaak om bestaande constructies te herstellen en versterken bestaat met name vanwege diverse redenen.! Verandering in functie en gebruik: het aanbrengen van openingen (vb. voor het plaatsen van leidingen en liftkokers), herbestemming van lokalen, toenemende belasting en frequentie van gebruik, enz. Een typisch probleem is de overbelasting van structuren ten gevolge van de in realiteit soms veel hogere aslasten van vrachtwagens dan de in het ontwerp voorzien.! Uitwendige beschadiging door mechanische invloeden: impact-belasting, explosie, sleet, heien van palen dicht bij bestaande gebouwen, bronbemaling, aardbeving, enz. Dikwijls doen bepaalde van deze fenomenen zich plots voor en kan de schade enorm zijn.! Uitwendige of inwendige beschadiging door omgevingsinvloeden: corrosie van wapening, vriesschade, alkali-silica-reactie, inwerking van agressieve reagentia, brandschade, enz.! Onvoorziene beschadiging door menselijke fouten (vb. doorboren van wapening of voorspanwapening bij het aanbrengen van signalisatie).! Veranderingen in normen en ontwerprichtlijnen waardoor structurele elementen niet langer de beoogde veiligheidsmarges bezitten conform deze nieuwe normen.! Fouten bij het ontwerp (foutieve detaillering, conceptiefouten en berekeningsfouten) of de uitvoering. Deze resulteren bijvoorbeeld in een foutieve hoeveelheid en positie van 1 Dr. ir. Stijn Matthys, Laboratorium Magnel voor Betononderzoek, Vakgroep Bouwkundige Constructies, Universiteit Gent 2 Dr. ir. Kris Brosens, Triconsult N.V., Halen
de wapeningen. Meestal blijven deze fouten verstopt omdat in de berekeningen belangrijke veiligheidsfactoren ingerekend worden. Aldus bevat een dergelijk element niet de voorziene veiligheid, ook al is dit uitwendig meestal niet merkbaar. Tevens worden lokale piekspanningen afgebouwd door de ductiliteit van de materialen. Bij al de schadegevallen die hierboven vermeld werden, is een herstelling met behulp van uitwendig gelijmde wapeningen mogelijk en dikwijls zelfs aangewezen [2,3]. De verschillende oorzaken voor het gebruik van uitwendig gelijmde wapeningen worden nog eens samengevat in figuur 1. Er worden drie verschillende groepen van oorzaken aangeduid:! Oorzaken die te maken hebben met het ontwerp of met de uitvoering! Oorzaken die te maken hebben met eisen gesteld door de gebruikers! Oorzaken tengevolge van externe invloeden Fig. 1 - Oorzaken die aanleiding kunnen geven tot de versterking met gelijmde wapening 1.2 Versterkingstechnieken voor betonconstructies Voor het versterken van structurele betonelementen kunnen een aantal verschillende technieken aangewend worden [4] naargelang de specifieke situatie en de aard van de constructie. Deze technieken kunnen in de volgende groepen opgedeeld worden. 1. Wijziging van de doorsnede:! Toepassing van spuitbeton of opgegoten betonzones.! Vervangen en/of toevoegen van wapening binnen de oorspronkelijke betondoorsnede of in een extra betonlaag.! Aanwending van uitwendig gelijmde wapening.! Aanwending van geprefabriceerde gewapende of voorgespannen betonelementen. KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 2/15
2. Voorspanning; veelal onder de vorm van uitwendige voorspanning met na-gerekte wapening. 3. Verandering van het draagsysteem: door middel van opgelegde vervormingen (vb. tussensteunpuntsverlaging van een hyperstatische balk), inbouwen van een supplementaire draagstructuur, schoren van raamwerken, enz. 4. Stabilistatie: injectie, grondankers, enz. De versterking met uitwendig gelijmde wapening wordt verder toegelicht in de volgende paragraaf. Deze techniek die veelvuldig toegepast wordt vanwege zijn efficiëntie, betreft oorspronkelijk gelijmde staalwapening. Als alternatief wordt nu ook met groot commercieel succes gelijmde vezelcomposietwapening (FRP: fibre reinforced polymer) toegepast. 2 Uitwendig gelijmde wapening 2.1 Techniek en toepassingsmogelijkheden Deze versterkingstechniek bestaat erin dat bijkomende wapening wordt aangebracht aan een bestaande constructie met het doel hetzij de draagkracht ervan te herstellen of te verhogen, hetzij om aan bepaalde eisen in verband met de gebruikstoestand te voldoen. De wapening wordt uitwendig aan de betonconstructie bevestigd door middel van een structurele verlijming (indien nodig kunnen bijkomende mechanische verankeringen voorzien worden). De gangbaar aangewende basistechniek bestaat in de manuele toepassing van de wapening, waarbij de aanhechting wordt verwezenlijkt door middel van de polymerisatie van een twee-componenten lijm (meestal epoxy) die kan uitharden bij omgevingstemperatuur. Een overzicht van de basistechniek is weergegeven in Tabel 1. Tabel 1 - Aanwending van gelijmde wapening VOORAFGAANDE HERSTELLINGEN Verwijder slechte betonzones, verifieer onvolkomenheden en potentiële schademechanismen, enz. Voorzie gepaste herstellingen. OPPERVLAKTE- VOORBEREIDING BETON Ruw zetten oppervlak (vb. zandstralen). Verifieer de oneffenheid en vlak uit indien nodig. Oppervlak stofvrij en droog maken. Staal/FRP Zandstralen staal / indien gespecificeerd licht opschuren FRP oppervlak. Reinigen van het oppervlak (vet- & stofvrij), enz. Dikwijls wordt FRP gebruiksklaar geleverd. AANBRENGEN UITWENDIGE WAPENING AFWERKING PREFAB (staal/frp) WET LAY-UP (FRP) Aanwenden epoxy op het beton. Aanwenden epoxy op het wapening (dakvormig). Verlijming (overtollige epoxy komt vrij). Aanbrengen epoxy op het beton (undercoating) Inrollen (verlijming en impregnatie) van vezelcomposiet. Verdere impregnatie (overcoating). Schilderen, bezetten, enz. (vb. esthetische redenen en brandveiligheid). KWALITEITSCONTROLE (voorafgaand, tijdens en na de aanwending) KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 3/15
De uitwendige wapening kan, zeker wat betreft de lichte vezelcomposietwapening, met grote eenvoud verlijmd worden op o.a. beton, staal, hout en baksteen. Deze techniek wordt dan ook aangewend bij het versterken van balken, platen, wanden en kolommen van o.a. bruggen en gebouwen. Toepassing is echter ook mogelijk in andere gevallen zoals bijvoorbeeld het omrijgen van schoorstenen of het versterken van schalen en tunnelgewelven. Figuur 2 toont een beeld van de versterkingen met gelijmde staalplaten bij de ombouw van een fabriek tot cultureel centrum. Figuur 3 geeft een voorbeeld van een versterking met gelijmde koolstofvezelcomposietwapening voor de versterking van een brug. Fig. 2 - Ombouw van fabriek tot cultureel centrum (Sigtay Ninove, 1994) Fig. 3 - Versterking van de Tannberg brug (Oostenrijk) KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 4/15
2.2 Materialen en systemen voor gelijmde wapening Aanvankelijk werden er enkel stalen platen gebruikt, verlijmd met een twee-componenten epoxylijm. De laatste jaren is er, mede door de ontwikkeling van nieuwe hoogwaardige materialen onder andere in de luchtvaartindustrie, onderzoek gedaan naar het gebruik van alternatieve materialen voor betonversterking. Ook in België werd hieromtrent innoverend onderzoek verricht [2,3,5]. Uit deze onderzoeken bleek dat FRP of vezelcomposietmaterialen (voornamelijk op basis van koolstofvezels) uitermate geschikt zijn voor betonversterking. De aangewende vezelcomposiet- of FRP wapeningen zijn opgebouwd uit sterke, dunne, continue vezels van niet-metallische aard ingebed in een matrix (harsbinder, vulstoffen en additieven). Voor de vezels wordt veelal uitgegaan van koolstofvezels, aramidevezels en glasvezels. Men spreekt respectievelijk van CFRP, AFRP en GFRP. Deze vezelcomposieten hebben een zeer hoge treksterkte, zijn corrosie-ongevoelig en hebben een vergelijkbare E-modulus met staal. Bovendien is hun soortelijke massa ongeveer vijfmaal kleiner dan deze van staal. Inzake opgelijmde wapening onderscheidt men in hoofdzaak de zogenaamde 'prefab' (staalplaten of reeds uitgeharde FRP strippen) en 'wet lay-up' (in situ impregnatie en uitharding van FRP) types, weergegeven in figuur 4. Een vergelijking van het spanning-rek gedrag van FRP en staal is gegeven in figuur 5. Een overzicht van de belangrijkste eigenschappen en enkele typische kenmerken van 'prefab' en 'wet lay-up' systemen is gegeven in Tabel 2. Naast de gangbaar aangewende basistechniek (de manuele verlijming bij omgevingstemperatuur, Tabel 1), bestaan er voornamelijk met betrekking tot de verlijming van vezelcomposieten ook diverse specifieke systemen en technieken, zoals o.a. gerobotiseerd omwikkelen van kolommen en schoorstenen, het gebruik van prefab FRP schalen in combinatie met expansieve mortel, het gebruik van prepreg (pre-impregnated) FRP dat kan uitharden met behulp van verwarmingselementen of infra-rood straling, enz. Fig. 4 - Prefab (links) en wet lay-up (rechts) types voor gelijmde wapening KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 5/15
2500 2000 CFRP Spanning [N/mm²] 1500 1000 AFRP GFRP 500 Stalen plaat 0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Rek [%] Fig. 5 - Spanning-rek gedrag (A: aramide, C: koolstof, G: glas) Tabel 2 - Typische kenmerken van uitwendig gelijmde wapening PREFAB (PRE-CURED) WET LAY-UP (IN-SITU CURING) Vorm Staalplaten of FRP strippen/ laminaten FRP vellen en weefsels Dikte Ongeveer 1.0 tot 1.5 mm Ongeveer 0.1 tot 0.5 mm Lijm Thixotrope lijm voor de aanhechting Lijm met lage viscositeit voor de impregnatie en aanhechting FRP vezelvol. Ongeveer 70 % Ongeveer 30 % (na impregnatie) Aanwending Eenvoudige verlijming van de geprefabriceerde elementen Verlijming en impregnatie van de FRP (vormgeving in-situ) Toepasbaarheid Indien niet voorgevormd enkel voor vlakke oppervlaktes Ongeacht de vorm, hoeken dienen afgerond te worden Aantal lagen Meestal 1 laag, Meestal meerdere lagen meerdere lagen mogelijk Oppervlakte oneffenheid De prefab elementen en de thixotrope lijm laten een zeker oneffenheid toe Dikwijls is een uitvlakmortel nodig i.v.m. onthechting door oneffenheden Eenvoud in gebruik Eenvoudig toepasbaar, beter kwaliteitsgarantie (prefab systeem) Zeer flexibel in gebruik, meer noodzaak aan kwaliteitscontrole Kwaliteitscontrole Verkeerde toepassing of slechte uitvoering = verlies aan composietwerking tussen de uitwendige wapening en de betonconstructie, gebrekkige lange-duur integriteit van het systeem, enz. 2.3 Gelijmde wapening: staal of vezelcomposieten? Oorspronkelijk gebaseerd op gelijmde staalplaten, wordt de techniek van uitwendig gelijmde wapening commercieel sedert de jaren 90 ook met vezelcomposietwapening toegepast. Zoals mag blijken uit onderstaand overzicht van de voor- en nadelen van gelijmde vezelcomposietwapening t.o.v. staalplaten, bieden deze een aantrekkelijk alternatief en laten zij een ruimere toepassing toe van deze versterkingstechniek. De meest aangewezen materiaalkeuze hangt echter sterk af van de concrete situatie van de uit te voeren versterking. KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 6/15
Voordelen van vezelcomposieten (FRP):! Staalplaten dienen beschermd te worden tegen corrosie. Evenwel ontstaat dikwijls na verloop van tijd corrosie op het verlijmde staaloppervlak waardoor de composietwerking tussen de staalplaat en de betonconstructie in het gedrang komt. FRP materialen daarentegen bezitten een goede corrosieweerstand.! Door hun gewicht kunnen staalplaten enkel in beperkte lengten aangewend worden (maximaal 6 à 10 m) en zijn ze moeilijk verhandelbaar. Bij grotere lengten zijn voegen, die een delicaat punt in het ontwerp en de uitvoering vormen, noodzakelijk. Bovendien is dikwijls een zware stelling nodig wat bv. onderdoorgaand verkeer onmogelijk maakt en een belangrijke meerkost met zich meebrengt. De quasi in onbeperkte lengten beschikbare FRP laminaten daarentegen zijn bijzonder licht en flexibel in gebruik.! FRP materialen (voornamelijk CFRP) gedragen zich zeer goed onder wisselende belasting.! Ook voorgespannen FRP wapening kan verlijmd worden. Hierdoor kunnen aanwezige trekspanningen, scheuropeningen en doorbuigingen gereduceerd worden. Deze techniek is echter nog deels in een experimenteel stadium.! De aanwending van FRP wapening is, meer nog dan deze van staalplaten, ook vanuit esthetisch oogpunt aantrekkelijk. Hun geringe dikte heeft nagenoeg geen invloed op de vrije hoogte en na overschilderen zijn ze bijna niet meer te onderscheiden. Het aanbrengen van extra afwerkingslagen (bepleistering, spuitbeton, enz.) is bovendien mogelijk. Nadelen van vezelcomposieten:! Staalplaten zijn veel goedkoper dan vezelcomposieten wat betreft de materiaalkostprijs. Echter, gezien de grotere eenvoud van toepassing van vezelcomposieten wordt de hogere materiaalkost van vezelcomposieten dikwijls ruim gecompenseerd door de winst in arbeidskost of snellere heringebruikname.! De lage transversale sterkte, wat maakt dat FRP elementen soms meer gevoelig zijn voor impact of vandalisme en wat mechanische verankering iets complexer maakt.! Bepaalde duurzaamheidsproblemen die mogelijk kunnen optreden voor sommige types FRP. Echter, globaal beschouwd bezitten FRP materialen en CFRP in het bijzonder een zeer hoge duurzaamheid en zijn ze in elk geval niet corrosie-gevoelig.! In het geval het ontwerp bepaald wordt door de hoeveelheid stijfheid die toegebracht dient te worden aan de constructie, kan de hoge sterkte van de vezelcomposieten meestal niet benut worden (tenzij men kan werken met voorgespannen vezelcomposietwapening of indien de hefboomsarm tussen gelijmde wapening en de betondrukzone verhoogd wordt). 2.4 Kwaliteitscontrole Een goede werking van een uitwendige gelijmde wapening is enkel mogelijk indien de gelijmde verbinding werd uitgevoerd volgens de regels van de kunst. Indien dit niet het geval, kan de hechting onvoldoende zijn en de gelijmde wapening haar nut verliezen. Daarom is het zeer belangrijk dat de uitvoerende aannemer voldoende ervaring heeft in het herstellen van betonstructuren en in het uitvoeren van gelijmde verbindingen. Ook moeten de gebruikte materialen van goede kwaliteit zijn en dienen de gepaste oppervlaktevoorbereidingen toegepast te worden. De compatibiliteit en het hechtvermogen van de verschillende epoxysystemen moet aangetoond zijn. De verwerkingsvoorwaarden zoals opgegeven door de KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 7/15
fabrikanten moeten strikt nageleefd worden. Vooral de omgevingstemperatuur en de relatieve vochtigheid spelen een grote rol bij de uitharding en het hechtvermogen van de verschillende epoxysystemen. 2.4 Ontwerp In vergelijking met het ontwerp van nieuwe betonconstructies, is dat van betonconstructies versterkt met uitwendig gelijmde wapening meer gecompliceerd. Om te beginnen, moet de bestaande toestand en het draagvermogen van de te versterken constructie nagegaan en geverifieerd worden. Oorzaken van gebreken moeten gekend zijn (zo zal bijvoorbeeld de corrosie van wapening veelal niet gestopt worden door de versterking met gelijmde wapening) en de nodige herstellingen moeten voorzien worden. In het ontwerp van de uitwendige wapening worden de diverse bezwijk- en gebruikgrensstoestanden die kunnen optreden geverifieerd [2]. Hierbij wordt ook rekening gehouden met de initiële toestand van de (herstelde) constructie, tijdens aan het aanbrengen van de versterking. Bijkomend dienen eventueel een aantal bijzondere ontwerpaspecten (zoals brand, impact, vandalisme, enz.) en de accidentele ontwerptoestand nagegaan te worden. In deze laatste ontwerptoestand, wordt het accidenteel verlies van de uitwendige wapening verondersteld, wat overeenstemt met een onversterkte constructie onderworpen aan de belastingen van de versterkte constructie. Deze ontwerptoestand gaat de bezwijkgrens na indien geen of gereduceerde veiligheidscoëfficiënten toegepast worden. 2.4.1 Opvatting Het wordt soms gesuggereerd dat de uitwendig gelijmde wapening enkel als zogenaamde secundaire wapening moet dienen, zodat bij accidenteel verlies van deze wapening de constructie niet (volledig) bezwijkt. Indien aan deze accidentele ontwerptoestand wordt voldaan is de veiligheid het grootst en dient veelal minder aandacht besteed te worden aan de bijzondere ontwerpaspecten zoals brand en impact. Dit betekent echter ook dat de maximale versterkingsfactor gelimiteerd wordt, terwijl reeds voldoende aangetoond werd dat uitwendig gelijmde wapening ook als volwaardige wapening kan aangewend worden. In dit geval dient echter extra aandacht besteed te worden aan de bijzondere ontwerpaspecten. In elk geval wordt het ontwerp dusdanig opgevat dat het bezwijken van de versterkte constructie dient voorafgegaan te worden door voldoende grote vervorming, welke bekomen worden na het vloeien van de inwendige (en eventueel de uitwendige staal-) wapening. Alternatief kan ook uitgegaan worden van de zeer grote veiligheid tussen de gebruiksbelasting en de weerstandbiedende belasting die voornamelijk voor vezelcomposietwapening-versterkingen bekomen wordt. Voor meer details over het ontwerp van gelijmde wapening voor de versterking in buiging, in dwarskracht of wringing en inzake het omwikkelen van kolommen, wordt verwezen naar [2,3,6]. 2.4.2 Composietwerking tussen gelijmde wapening en het betonelement De goede werking van deze versterkingstechniek is in hoofdzaak gebaseerd op de composietwerking die (via de verlijming en eventuele bijkomende verankeringen) gerealiseerd wordt tussen de gelijmde wapening en het beton. Indien de hechtschuifspanningen in het contactvlak tussen het beton en de gelijmde wapening een kritieke waarde overschrijden, dan treedt onthechting op. Aangezien de sterkte van de lijmen KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 8/15
die normaal aangewend worden, zal deze onthechtingsbreuk zich voordoen in het beton en is de kritieke schuifspanning gerelateerd tot de treksterkte van het beton. Oorzaken van onthechting en de bijhorende bezwijkvormen kunnen als volgt beschouwd worden (Fig. 6):! Lage uitvoeringskwaliteit. De toelaatbare hechtsterkte kan in belangrijke mate afnemen door een onvoldoende kwaliteit van de uitvoering (bijvoorbeeld door een onvoldoende oppervlakte voorbereiding, afpelwerking t.g.v. oneffenheden, enz.). Deze onthechtingsvormen kunnen vermeden worden door een goede uitvoering en de nodige kwaliteitscontrole op de uitvoering. Fig. 6 - Hechtschuifspanningen en onthechtingsbreuk KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 9/15
! Verankeringszone. Startend van het vrij uiteinde dient de kracht in de gelijmde wapening opgebouwd te worden. Hierbij treden er in deze verankeringszone spanningconcentraties op. Bij aanwezigheid van een dwarskrachtscheur, die preferentieel ontstaat aan het uiteinde van de gelijmde wapening kan een zogenaamde 'concrete rip-off' breuk ontstaan (onthechtingsvlak lokaliseert zich ter plaatse van de inwendige wapening).! Krachtsoverdracht. T.g.v. de composietwerking tussen het beton en de gelijmde wapening treden er hechtspanningen op in het contactvlak. Deze zijn evenredig met de variatie van de kracht langsheen zijn lengte.! Scheuroverbrugging. Ter plaatse van scheuren ontstaan eveneens extra hechtspanningen. Onderscheid kan gemaakt worden tussen buig- en dwarskrachtscheuren. In het laatste geval wordt ook een vertikale verplaatsing van de scheurvlakken bekomen, welke een rechtstreekse en zeer nadelige afpelwerking met zich meebrengt. 2.4.3 Berekening van de verankering Een zeer belangrijk punt bij het ontwerpen van uitwendige wapening is het dimensioneren van de verankering. Het voortijdige falen van een verstevigde structuur wordt immers vaak veroorzaakt door het afpellen van de uitwendige wapening aan de uiteinden. Aan het uiteinde, waar de kracht van het beton naar de uitwendige wapening overgedragen wordt, doen zich namelijk hoge schuifspanningsconcentraties voor. De lengte waarover deze krachtsoverdracht gebeurt, wordt de verankeringslengte genoemd. Met een niet lineair breukmechanisch model, dat steunt op een bilineair schuifspanning-slip verband, kan een minimale verankeringslengte berekend worden. Figuur 7 geeft de maximaal overdraagbare kracht in functie van de verbindingslengte. In de figuur wordt het model vergeleken met de resultaten bekomen uit proeven. Er werd een goede overeenkomst gevonden tussen het model en de realiteit. 45 40 35 30 25 breedte 80, 1 laag breedte 80, 2 lagen breedte 80, 3 lagen Model breedte 80, 1 laag Model breedte 80, 2 lagen Model breedte 80, 3 lagen 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 lengte (mm) Fig. 7 - Vergelijking van de ankerlengte: model versus experimenten KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 10/15
Fig. 8 - Eindverankering met bout (Supercity, Leuven, 1996) De verankeringslengte moet aan beide zijden van de uitwendige wapening bijgevoegd worden teneinde de krachtsoverdracht te verzekeren. Indien dit niet mogelijk is, moet er gezorgd worden voor een bijkomende verankering. Voor uitwendig gelijmde stalen platen kan dit gedaan worden door aan het uiteinde van de plaat een aantal bouten te voorzien (Fig. 8). Bij uitwendig gelijmde vezelcomposietwapening kan slechts gebout worden indien laminaten met vezels in meerdere richtingen gebruikt worden. Voor unidirectionele vezelcomposietwapening kan bijvoorbeeld gewerkt worden met een laterale U-vormige omwikkeling in de eindzone. Nochtans is het aan te raden om steeds een extra verankering te voorzien zelfs al is dat strikt genomen niet nodig. Hierdoor wordt een grotere veiligheid en robuustheid ingebouwd. 2.5 Ontwerprichtlijnen De introductie van nieuwe materialen en daarmee verbonden technieken noodzaakt aangepaste ontwerprichtlijnen. Dit aspect maakt een belangrijk deel uit van de uitgevoerde onderzoeksprojecten inzake FRP wapening. In dit verband zijn internationaal eveneens diverse werkgroepen actief. Bij wijze van voorbeeld kan fib (Fédération International du Béton) Task Group 9.3 "FRP Reinforcement for Concrete Structures" vermeld worden [7]. Naar aanleiding van de werkzaamheden van deze werkgroep werd een rapport "Externally bonded FRP reinforcement for RC structures - Technical report on the design and use of externally bonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR) for reinforced concrete structures" in oktober 2001 gepubliceerd [6]. 2.6 Enkele toepassingsvoorbeelden Internationaal werden reeds duizenden toepassingen uitgevoerd met gelijmde wapening (met zowel staal als vezelcomposieten). Het betreft sterk variërende projecten met toepassing van gelijmde wapening in hoeveelheden gaande van enkele meters tot enkele kilometers. Bij wijze van voorbeeld worden hier 4 projecten kort toegelicht. KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 11/15
Kattenbusch brug in Duitsland De versterking van deze brug, uitgevoerd in 1987, betreft vermoedelijk de eerste toepassing van uitwendig gelijmde vezelcomposietwapening [1]. Het betreft een kokerbrug met een totale lengte van 478 m, bestaande uit 9 overspanningen van 45 m en 2 eindoverspanningen van 36.5 m. Ter plaatse van een van de constructievoegen werden 20 GFRP strippen (dimensies 3200 mm x 150 mm x 30 mm) aangebracht. Versterking van het dak van een zwembad In 1997 werd de betonnen dakplaat van het gemeentelijk zwembad te Kalmthout, België, gerenoveerd met uitwendig gelijmde CFRP laminaten. De dikte van de betonplaat bedroeg 110 mm en de betonplaat had een oppervlakte van 675 m 2. Door de geringe betondekking en de jarenlange blootstelling aan een warme, vochtig zwembadatmosfeer met hoge chloorconcentraties, was de inwendige wapening op vele plaatsen volledig weggeroest en de betondekking afgedrukt. Door de opdrachtgever werd opgelegd dat de herstellingen tijdens de jaarlijkse zomersluiting moesten uitgevoerd worden. Door de korte uitvoeringstermijn en de beperkte structurele ingrepen was een oplossing met uitwendig gelijmde wapening dan ook het meest aangewezen. Er werd besloten om de inwendige, beschadigde staalwapening te verwijderen en te vervangen door uitwendig gelijmde CFRP laminaten. Het voordeel van deze CFRP laminaten is dat zij ongevoelig zijn voor corrosie in de agressieve zwembadomgeving. Hierdoor is een dure oppervlaktebehandeling niet nodig. De CFRP laminaten werden aangebracht in twee of drie lagen met een breedte van 250 mm en een tussenafstand variërend tussen 350 en 700 mm (Fig 9). De volledige uitvoeringstermijn bedroeg ongeveer 6 weken. Fig. 9 - CFRP versterking (links) en eindresultaat na aanbrengen verlaagd plafond (rechts) Hybride versterking van een ribbenvloer In 1998 werd een voormalig schoolgebouw te Leuven, België, omgebouwd tot stadsbibliotheek, waardoor de belasting op de vloerplaten aanzienlijk verhoogde van 3 kn/m 2 tot 6 kn/m 2. Enkele vloerplaten moesten hiervoor versterkt worden en dit zowel tegen buiging als tegen dwarskracht. Het betreft ribbenvloeren met een tussenafstand van 550 mm tussen de ribben. De dikte van de vloerplaat bedraagt 50 mm. Voor de uiteindelijke versterking van de ribbenvloer werd gekozen voor een hybride versterking (Fig. 10). De versterking tegen buiging werd gerealiseerd met een gelijmde staalplaat aan de onderkant van de ribben zodat ook de bijkomende doorbuigingen beperkt KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 12/15
blijven. De versterking tegen dwarskracht gebeurde door het aanbrengen van twee lagen CFRP laminaten op slechts één zijde van de ribben. Hierbij zijn de vezels van de eerste laag verticaal geöriënteerd en deze van de tweede laag horizontaal. Tot slot werden er aan de uiteinden van de staalplaat een beugel in CFRP en twee bouten als mechanische verankering voorzien teneinde voortijdig falen door delaminatie of door plaateinde-afschuifbreuk te vermijden. Door deze hybride versterking worden beide materialen zo optimaal mogelijk gebruikt en was een snelle en economische versterking mogelijk. Deze opvatting van de herstelling werd eerst proefondervindelijk onderzocht [3]. Fig. 10 - Hybride versterking van een ribbenvloer Reptielengebouw Zoo Antwerpen Een vloerconstructie van 340 m² (bestaande uit een rooster van balken met bovengelegen plaat) in zeer slechte staat werd in 2000 hersteld en versterkt (Fig. 11). Hierbij diende de originele gebruiksbelasting van 5 kn/m² verhoogd te worden tot 15 kn/m² om de plaatsing van een nieuw aquarium mogelijk te maken. Er werd geopteerd voor de techniek van gelijmde vezelcomposietwapening. Op deze wijze kon de uitvoeringstermijn sterk beperkt worden, kon de versterkingsinterventie met maximaal respect voor het geklasseerd gebouw uit 1880-1910 gebeuren en was er slechts een beperkte verstoring van de activiteiten in het gebouw (de dieren dienden niet verplaatst te worden en het reptielengebouw bleef toegankelijk voor bezoekers). Verdrievoudiging van de gebruiksbelasting door het verlijmen van koolstofvezelwapening op de onderzijde van de balken bleek echter niet mogelijk, daar de drukzone van het beton de toegenomen spanningen niet zou weerstaan met verbrijzeling van het beton tot gevolg. Bijgevolg diende uitgegaan te worden van CFRP/balsa houten elementen, waarbij een grotere hefboomsarm tussen de uitwendige koolstofvezelwapening en de drukzone van het beton gerealiseerd werd en aldus materiaalspanningen en doorbuigingen sterk beperkt konden worden. Dit innovatief systeem, bestaande uit CFRP strippen met variabele dikte, multidirectionele vezels om boutverankeringen toe te laten en een balsa houten afstandhouder, werd voorafgaandelijk experimenteel onderzocht [8]. KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 13/15
Fig. 11 - Vloerplaat voor (links) en na (rechts) versterking (Zoo Antwerpen) 3 Besluiten Het versterken van betonconstructies is van groot belang. Hiervoor komen diverse technieken in aanmerking, waaronder uitwendig gelijmde wapening. Het gebruik van deze laatste techniek is efficiënt en economisch aantrekkelijk, vanwege de flexibiliteit en eenvoud van toepassing. Gelijmde vezelcomposietwapening als alternatief voor gelijmde staalplaten, geïntroduceerd in de jaren 90, biedt een aantal voordelen en laat een ruimere toepassing toe van deze versterkingstechniek. De meest aangewezen materiaalkeuze hangt echter af van de concrete situatie en vergt een voldoende ingenieursinzicht in deze techniek. Belangrijke ervaring en kennis op het gebied van gelijmde wapening is in België voorhanden. Ontwerprichtlijnen op internationaal niveau komen meer en meer ter beschikking. 4 Referenties 1. Meier U., Deuring M., Meier H. and Schwegler G. (1993), FRP Bonded Sheets, in Fiber-Reinforced-Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures: Properties and Applications, Elsevier, 423-434. 2. S. Matthys (2000), Constructief gedrag en ontwerp van betonconstructies versterkt met uitwendig gelijmde vezelcomposietwapening - Structural Behaviour and Design of Concrete Members Strengthened with Externally Bonded FRP Reinforcement, Doctoraatsproefschrift, Universiteit Gent, Faculteit Toegepaste Wetenschappen, Vakgroep Bouwkundig Constructies, Gent, Belgium, 345 pp. 3. Brosens K. (2001), Anchorage of externally bonded steel plates and CFRP laminates for the strengthening of concrete structures, Doctoraatsproefschrift, K.U.Leuven, Belgium, 225 pp. 4. FIP (1991), Repair and strengthening of concrete structures, Fédération Internationale de la Précontrainte, FIP Guide to good practice, Thomas Telford, London, 37 pp. 5. BVSM (2000), Betonversterking met uitwendig gelijmde wapening: staal en kunststof, Colloquium, Leuven, Belgium, Belgische Vereniging tot Studie, Beproeving en Gebruik der Materialen (BVSM), 130 pp. KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 14/15
6. fib (2001), Externally bonded FRP reinforcement for RC structures, Technical Report on the Design and Use of Externally Bonded FRP Reinforcement (FRP EBR) for Reinforced Concrete Structures, fib Bulletin 14, fib Task Group 9.3, working party EBR, International Federation for Structural Concrete, Lausanne, Switzerland. 7. fib Task Group 9.3. (2001), FRP Reinforcement for Concrete Structures, International Federation for Structural Concrete, Commission 9, Task Group 9.3, http://allserv.rug.ac.be/~smatthys/fibtg9.3. 8. S. Matthys, H. Blontrock (April 2000), "Experimenteel onderzoek op een versterkingssysteem met vezelcomposietmaterialen", Bouwkroniek, 7 April 2000, pp. 26-30. KVIV Studiedag Beton duurzaam herstellen - Structurele versterking van betonconstructies - 15/15